時間：2022-04-17 06:05:10
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摘要：
本文針對采礦工程專業(yè)本科生專業(yè)基礎課《巖體力學》教學現(xiàn)狀存在的不足，提出了理論實踐并重、優(yōu)化教學內(nèi)容、革新教學方法、培養(yǎng)學生興趣、拓寬學生知識結(jié)構(gòu)等為一體的優(yōu)化改革方案，教學實踐表明，效果良好。
關鍵詞：
采礦工程；巖體力學；教學改革
一、《巖體力學》教學現(xiàn)狀
《巖體力學》作為采礦工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，其目的在于培養(yǎng)學生掌握巖石工程（井工開采、隧道、地下空間工程等）中一些力學現(xiàn)象的分析能力，使學生接受礦山開采和巖層控制基本理論和試驗技能的初步訓練，為學生學習專業(yè)課程及從事理論研究打下良好的基礎?！稁r體力學》一般在先修課程（高等數(shù)學、彈性力學、材料力學、理論力學等）完成后開設，在學生學習本課程時，不僅可對先修課程進行系統(tǒng)回顧，又可有效運用前期基礎課程相關分析與計算方法分析宏觀工程問題；同時，該課程的學習可為《采礦學》、《礦山壓力與巖層控制》等主干專業(yè)課程的學習夯實理論基礎。但是，隨著科技水平的提高及分析方法的多元化，巖體力學所涉及研究范圍及方法日趨復雜，這也要求高校教師對巖體力學知識掌握更加全面，推陳出新，與時俱進。傳統(tǒng)教學過程中，有關《巖體力學》的教學多以課堂原理的講授，已不再適用于本科生的教育及行業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展需求。因此，結(jié)合現(xiàn)有條件對該課程進行教學改革，適應工科專業(yè)發(fā)展方向，培養(yǎng)學生實踐與應用能力勢在必行。
二、《巖體力學》教學中存在的問題
對于采礦工程專業(yè)的學生，力學基礎相對較弱，即使之前已對相關基礎課程進行了學習，但由于前期多為應試型學習，且理論性較強，導致學生對于基礎知識的掌握多為“碎片式”，無法有效形成知識網(wǎng)絡，導致學生學習《巖體力學》時非常吃力。此時，若依然按照傳統(tǒng)教育模式采用灌輸式講授方法，則事倍功半?？偨Y(jié)傳統(tǒng)教學方法下存在的主要問題如下：
1.學生基礎知識薄弱，易形成被動接受方式?！稁r體力學》是對前期相關力學課程的延伸學習，若前期基礎力學知識及運算方法掌握不牢，將導致學生學習過程形成停頓感，由于課程邏輯性較強，一個知識點產(chǎn)生卡頓，學生對于后續(xù)知識的學習將產(chǎn)生被動接受的局面，學習效率低下。
2.教師課堂講授方法單一，不易于接受。資料顯示，目前非力學專業(yè)教師采用的《巖體力學》課件大同小異，均是對課本一些原理及方法的羅列，講授過程中多采用灌輸式，導致課堂教學環(huán)節(jié)枯燥乏味，缺乏與專業(yè)特點的聯(lián)系，學生不易參與其中，知識點也難以接受。
3.教學方法機械性較強，難以融會貫通?！稁r體力學》主要采用的教學方法包括課堂講授與巖石力學實驗，對于實驗部分，一般由實驗老師授課，學生容易將理論知識的學習與實驗獨立開來，因此，實驗作為揭示巖體力學現(xiàn)象的一種有效手段，無法讓學生理解其獨特含義。
4.傳統(tǒng)理論講授過多，新型技術所占比例少。隨著科技發(fā)展，行業(yè)內(nèi)涌現(xiàn)了大批巖體力學分析軟件，這些軟件借助于力學原理，在分析工程問題中得到了普遍推廣應用。高校教師分析巖體力學問題時，可充分利用新型技術，將問題分析方法多元化，輔助學生學習力學，又可拓寬學生知識面。
三、課程教學改革方法初探
近年來，隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，我國逐漸躋身世界巖土工程大國，存在較大的發(fā)展空間。因此，對于工程類學生，掌握巖體力學分析方法及相關理論，為以后從事相關工作及科學研究鋪墊良好的基石至關重要。針對采礦工程專業(yè)《巖體力學》課程教學中存在的一些問題，初步提出了課程教學改革，具體包括以下幾個方面：
1.注重課堂效果，激發(fā)學生興趣。由于《巖體力學》內(nèi)容相對枯燥，學生容易失去興趣，因此，教師在講授時應注重方法，提高課堂效果。講授內(nèi)容時應充分結(jié)合本專業(yè)工程實例，循序漸進，讓學生理解所講知識的來龍去脈。如講授平面應變問題下巷道彈塑性分析時，可以具體教學實例進行切入，首先對彈性力學中平面問題進行回顧，進而對問題進行假設簡化，最后引入彈塑性力學知識對問題進行分析，不僅對前期所學知識進行了復習，同時應用于解決現(xiàn)場工程問題中去，事半功倍。
2.注重基礎，構(gòu)建知識框架。采礦專業(yè)學生由于力學基礎相對薄弱，甚至對一些專業(yè)術語掌握都不夠準確，給課程后期學習帶來了極大的困難。因此，教師需注重基礎理論、基礎知識和基本技能的講授，講巖體力學中復雜的理論知識及工程實踐成果濃縮在有限的課時內(nèi)。同時，注重課本知識的統(tǒng)籌規(guī)劃，強調(diào)基礎的同時，合理規(guī)劃授課內(nèi)容，突出重點，構(gòu)建知識框架，促使學生對知識內(nèi)容形成一個宏觀的認識，利于融會貫通。
3.理論結(jié)合實踐，加強學習感知?！稁r體力學》具有理論復雜和實踐性強的特點，理論復雜體現(xiàn)在不確定性上，實踐性強則因與工程實踐密不可分。巖石力學實驗則是連接理論知識與工程應用的橋梁，因此，在教學環(huán)節(jié)應注重對實驗的教學，同時，實驗應在授課教師與實驗教師共同參與下由學生獨立完成，提高學生的分析問題能力，調(diào)動學生獨立思考的積極性，培養(yǎng)學生應用創(chuàng)新能力。
4.做好通識教育，觸類旁通。巖體物理力學特性受外界條件及自身結(jié)構(gòu)影響極大，不同行業(yè)接觸的巖體也存在較大的差異性，不同專業(yè)分析問題的角度不盡相同。因此，應結(jié)合專業(yè)特點，對講授內(nèi)容突出側(cè)重點，例如，邊坡工程、地基工程及地下工程所涉及巖體力學問題求解方法存在較大差異，因此，非專業(yè)知識課簡單講授原理，專業(yè)知識則重點講授，做到觸類旁通。
5.創(chuàng)新教學方法，未雨綢繆。在《巖體力學》教學過程，可適當引入一些新型分析軟件和方法，如有限元、離散元及有限差分等軟件，做到與時俱進，同時輔助學生理解一些復雜的原理，學生對于一些數(shù)值分析軟件的理解可為工作及深造后巖體力學問題的分析提供新的解決路徑，做到分析問題針對性強、操作應用快，理解容易，易于自身能力的提升。結(jié)合工科采礦類本科學生的實際特點，加強《巖體力學》課堂講授與工程應用的聯(lián)系，優(yōu)化教學內(nèi)容，革新教學方法，培養(yǎng)學生學習興趣，拓寬學生知識結(jié)構(gòu)面，讓采礦專業(yè)學生掌握巖體力學問題中涉及相關理論及分析方法，綜合運用所學知識，在實際工程問題中找到突破口，提高授課效果，培養(yǎng)學生獨立發(fā)現(xiàn)問題及解決問題的能力，為學生后期工作及學習打下良好的基礎。以上具體方案，經(jīng)過教學實踐，授課效果得到良好改善。
作者：王猛 單位：河南理工大學能源科學與工程學院
1一般方法
1．1巖石力學試驗法
(1)室內(nèi)試驗。
通過鉆孔巖芯取樣，利用室內(nèi)巖塊的單軸壓縮試驗確定巖石單軸抗壓強度、彈性模量和泊松比。通過巖體的三軸壓縮試驗確定巖體的抗剪強度－凝聚力和摩擦角。通過巖體卸圍壓試驗研究巖體卸荷過程中的變形和能量變化特點，確定卸載時巖體的參數(shù)，如彈模、泊松比、凝聚力、摩擦角。
(2)現(xiàn)場試驗。
現(xiàn)場抗剪試驗獲得巖體、軟弱夾層、混凝土與巖石接觸面抗剪(斷)強度;現(xiàn)場變形試驗(剛性承壓板法、狹縫法)獲得巖體變形模量、彈性模量及泊松比。還有現(xiàn)場聲波測試評價巖體完整性等?，F(xiàn)場試驗是確定巖體強度參數(shù)最準確的方法，但由于通常不具備施作原位試驗的條件，而且試驗周期長、費用高，所以這種方法應用較少。試驗法是一種直接又可靠的方法，可以較好反映巖石特性。室內(nèi)試驗得到的是完整巖塊的特性參數(shù)，但存在“尺寸效應”?，F(xiàn)場試驗受條件限制，試件制備難免受到擾動，試驗結(jié)果分散，不能直接采用。
1．2工程巖體分級法
工程巖體分級法主要有:國標《工程巖體分級標準》、水利水電工程勘察規(guī)范的壩基和圍巖工程地質(zhì)分類法、巴頓的Q系統(tǒng)分類法及比尼威斯基的RMR分類法。這些分類方法往往是定性描述與定量評價相結(jié)合，采用多參數(shù)綜合指標分級法給巖體進行評分和劃分巖體級別，根據(jù)巖體級別并結(jié)合經(jīng)驗公式，給出巖體參數(shù)的范圍值。國標《工程巖體分級標準》選取巖石堅硬程度和巖體完整程度這兩個因素確定巖體基本質(zhì)量，將影響巖體工程特性的因素如地下水、初始應力、結(jié)構(gòu)面走向與工程軸線方位等作為修正因素，實現(xiàn)工程巖體的分級，并提供了各級別巖體物理力學參數(shù)表和結(jié)構(gòu)面抗剪斷峰值強度表?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》的附錄V提供了壩基巖體工程地質(zhì)分類表，主要分類因素也是巖石堅硬程度和巖體完整程度，此外還有巖體縱波速度和鉆孔RQD值，并在附錄E中提供了壩基巖體抗剪斷(抗剪)強度參數(shù)及變形參數(shù)經(jīng)驗值表和結(jié)構(gòu)面抗剪斷(抗剪)強度參數(shù)經(jīng)驗值表，用于規(guī)劃和可研階段。應注意該表的注明是參數(shù)僅限于硬質(zhì)巖，軟質(zhì)巖應根據(jù)軟化系數(shù)進行折減。
1．3工程地質(zhì)類比法
工程地質(zhì)類比法是利用大量已建工程的成功經(jīng)驗確定擬建工程的設計參數(shù)，是工程地質(zhì)研究的傳統(tǒng)方法之一。類比法是應用相似原理，要求主要的工程地質(zhì)條件基本相同或相似，這其中最主要的是巖性和地層時代(或?qū)游?，其余還有地質(zhì)構(gòu)造(巖體完整性)、風化狀態(tài)、應力條件、地下水等等。實際應用時應結(jié)合具體工程的地質(zhì)條件，在類比、分析、判斷的基礎上提出合理參數(shù)。同時，在施工過程中，根據(jù)工程實際進展情況和出現(xiàn)的問題，特別是根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，對設計進行必要的調(diào)整和修改。類比的資料可以參考《巖石力學參數(shù)手冊》、《巖基抗剪強度參數(shù)》、《工程地質(zhì)手冊》、《水利水電工程地質(zhì)手冊》，以及地區(qū)工程經(jīng)驗(資料庫、數(shù)據(jù)庫)等等。類比法完全依靠地質(zhì)師所掌握的工程實例資料和他對工程巖體的經(jīng)驗判斷，人為因素比較大，有時僅僅通過少量個別因素相比較而得到的參數(shù)，其結(jié)果可靠性較差。然而該方法簡單、方便、快捷，在中、小型水利水電工程中應用較多。
1．4反演分析法
反演分析法是利用現(xiàn)場所測得的位移等數(shù)值反求巖體力學參數(shù)，包括位移反分析、應力反分析、混合反分析等。其中位移反分析方法是根據(jù)現(xiàn)場實測的位移值，采用解析法、有限元等方法以及彈性、彈塑性等本構(gòu)模型進行求解。位移反分析的方法主要分為兩類:直接逼近法和逆過程法。由于圍巖本構(gòu)關系的復雜性，目前的逆過程方法的位移反分析研究計算大都采用了線彈性等假設，設巖體為均值各向同性，而天然巖體地質(zhì)條件復雜，這樣與工程實際情況相去甚遠。反分析方法在邊坡穩(wěn)定分析中應用較多。反分析時穩(wěn)定系數(shù)取值為:蠕動擠壓階段宜采用1．00～1．05，初滑階段宜采用0．95～1．00?；瑤量辜魪姸?c，φ)參數(shù)反演分析的方法分為單參數(shù)反演和雙參數(shù)反演兩種。前者假定一個參數(shù)已知的前提下，反算另外一個參數(shù)，通常選擇對滑坡穩(wěn)定性影響較敏感的作為未知參數(shù)。后者在反演中有兩個未知的參數(shù)，通常選擇兩個距主滑動面等距的剖面建立極限平衡方程求解，此外，還可以做參數(shù)的敏感性分析。
1．5人工神經(jīng)網(wǎng)絡法及模糊數(shù)學預測法
人工神經(jīng)網(wǎng)絡法是通過完成輸入與輸出問題的映射，自動建立復雜現(xiàn)象(系統(tǒng))的模型并指出其控制規(guī)律。該方法考慮了影響巖石力學參數(shù)的各種定性因素，應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，隨著數(shù)據(jù)的積累不斷地對樣本集進行補充和完善，使參數(shù)取值結(jié)果不斷趨于合理。缺點是學習樣本的選取具有很大的主觀性。模糊數(shù)學預測法是考慮到影響巖體變形強度參數(shù)的相關因素模糊不確定性，根據(jù)經(jīng)驗確定權重集及隸屬度，在此基礎上進行巖體力學參數(shù)預測。該方法實質(zhì)就是把巖石與巖體力學指標之間的比例系數(shù)當作模糊子集，依據(jù)經(jīng)驗進行模糊綜合評判確定一個最佳模糊折減系數(shù)的問題，從定量上考慮影響力學參數(shù)的各種模糊因素，但在運用上不是很成熟，仍借助于經(jīng)驗。
1．6其他方法
除上述方法外，還有一些其他方法可以用來確定巖體強度參數(shù)，如:計算機模擬、聲波測試技術、巖體分形分維理論、斷裂損傷力學、統(tǒng)計數(shù)學等方法。
2巖體力學參數(shù)綜合取值
巖體力學參數(shù)取值方法有很多，由于巖體的不連續(xù)性、各向異性和非均勻性等特有屬性以及巖體結(jié)構(gòu)的復雜性，使各種取值方法存在局限性，至今還沒有一種令人滿意的取值方法。實際工作中應該綜合應用這些方法，互相驗證，取長補短。筆者基于上述巖體力學參數(shù)的取值方法，并結(jié)合工程的規(guī)模和地質(zhì)條件的復雜程度，在滿足規(guī)程規(guī)范的前提下提出了巖體力學參數(shù)綜合取值方法。該方法針對地質(zhì)條件簡單的小型工程、地質(zhì)條件復雜的中型以上工程、重要的大型工程和參數(shù)敏感的工程分為以下3個層次。
(1)第一層次。
對于地質(zhì)條件簡單的小型工程，或項目規(guī)劃、可研階段，可采用野外地質(zhì)調(diào)查和鉆孔取樣室內(nèi)抗壓試驗→進行巖體分級、查表→獲得抗剪強度和變形模量范圍值，通過相似工程類比，調(diào)整、修正取得地質(zhì)建議值;或者采用RMR分類和Hoek－Brown經(jīng)驗強度準則公式計算，參考類似工程修正后得到地質(zhì)建議值。
(2)第二層次。
對于地質(zhì)條件復雜的中型以上工程，如重力壩、拱壩，結(jié)構(gòu)面影響壩基、壩肩穩(wěn)定，初步設計階段應布置原位抗剪和變形試驗，參考類似工程，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件進行調(diào)整，必要時由地質(zhì)、試驗和設計三方共同研究確定設計采用值。
(3)第三層次。
對于重要的大型工程和參數(shù)敏感的工程，應做專門研究，除運用上述方法外，還應開展計算機模擬試驗、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、模糊數(shù)學預測法等，慎重確定地質(zhì)建議值。在施工階段可以利用監(jiān)測資料進行反演分析，復核巖體穩(wěn)定性，及時修改設計和施工方法，確保工程安全?？傊?，地質(zhì)調(diào)查和巖石力學試驗是基礎，是巖體分級、經(jīng)驗估算及數(shù)值模擬的前提，因此應重視野外第一手資料的收集，并注意取樣、試驗成果代表性問題，使地質(zhì)建議值符合現(xiàn)場實際。
3應注意的問題
反思多年來我們所做的中小型水利水電工程勘察設計，在巖石力學參數(shù)取值方面應注意以下問題:
(1)在前期勘察時對設計意圖不甚了解
設計方案不十分明確，加之勘察周期短，對地質(zhì)條件的調(diào)查和分析不夠深入，對試驗只是要求做常規(guī)的內(nèi)容，以室內(nèi)試驗為主，取樣數(shù)量不足，成果代表性差，使得方案比選時難以取舍。按照有關規(guī)范，“小型水電工程巖土參數(shù)(取值)可在現(xiàn)場簡易測試和必要的室內(nèi)試驗的基礎上以類比為主。”“中型水電工程巖土測試以室內(nèi)試驗為主，必要時可采用大型野外原位試驗?！睂τ诠皦魏椭亓我貏e注意，對影響壩基、壩肩穩(wěn)定的巖土體及軟弱結(jié)構(gòu)面可視需要開展原位試驗工作。尤其是軟巖和完整性差的巖石，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且結(jié)構(gòu)面對巖體穩(wěn)定性不利，巖體穩(wěn)定性的判別對工程影響很關鍵，這需要慎重研究，應在地質(zhì)調(diào)查的基礎上，布置適當?shù)脑辉囼?，并采取多種方法合理確定巖體力學參數(shù)。
(2)勘察報告中抗剪強度和變形參數(shù)僅僅根據(jù)室內(nèi)巖石試驗查規(guī)范，與現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查結(jié)合不緊密。
抗剪強度和變形參數(shù)是混凝土壩穩(wěn)定計算最重要的參數(shù)，對工程安全和造價影響很大。然而規(guī)范給出的值范圍較大，勘察報告僅僅依據(jù)規(guī)范提供的參數(shù)表取值是遠遠不夠的。中等規(guī)模以上和地質(zhì)條件復雜的工程應進一步開展分析論證工作，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件調(diào)查，在巖體分級基礎上，運用有關理論和經(jīng)驗公式，例如霍克－布朗(Hoek－Brown)經(jīng)驗強度準則公式等，并參考已建工程經(jīng)驗取值，必要時與地質(zhì)、試驗和設計專業(yè)共同會商，合理確定參數(shù)。
(3)在軟巖地區(qū)建混凝土壩要特別注意
如頁巖、千枚巖及白堊－第三系泥巖等，由于巖性軟弱，構(gòu)造發(fā)育，巖體強度較低，工程安全裕度小，巖體力學參數(shù)取值對工程安全和經(jīng)濟性影響大，甚至影響方案的成立。軟巖地區(qū)一般不適合建中、高混凝土壩，萬一要建，就應該投入一定的勘探和試驗工作量，慎重研究和分析論證，并留有一定安全裕度。
(4)應考慮定值計算與可靠度問題。
實際勘察設計工作中，是由地質(zhì)專業(yè)提供參數(shù)，設計人員進行計算。地質(zhì)部門依據(jù)試驗成果，結(jié)合地質(zhì)條件和個人經(jīng)驗判斷，提出地質(zhì)建議值。設計一般直接采用地質(zhì)建議值進行計算。問題是設計計算方法與地質(zhì)模型是否一致，地質(zhì)參數(shù)的可靠性或安全閾值是多少，即有多少安全儲備。近十幾年來國內(nèi)外廣泛開展了重力壩可靠度研究。結(jié)構(gòu)可靠性分析是以概率理論為基礎，采用極限狀態(tài)設計方法，以可靠指標度量結(jié)構(gòu)或工程的可靠性，比定值法不考慮參數(shù)的偏差有明顯的優(yōu)越之處。可靠度計算需要提供與大壩有關的各類荷載、材料和地基強度的統(tǒng)計特征值(均值、標準差、變異系數(shù)等)及分布類型，對地質(zhì)參數(shù)的離散性進行評價。
(5)試驗是基礎。
如何看待試驗成果，地質(zhì)專業(yè)人員常常抱怨試驗參數(shù)不準，造成的原因有幾個方面，一是取樣的代表性問題，或者原位試驗選點問題，要考慮巖性、風化程度、構(gòu)造等影響，對試驗點做專門設計和布置;又譬如有的砂巖與頁巖互層，頁巖巖芯破碎取樣困難，取樣只能做砂巖的抗壓強度試驗，成果偏大;傾斜巖層抗壓首先沿層面剪切破壞，成果偏小。二是試驗中的誤差，應采用數(shù)理統(tǒng)計法整理試驗成果，在充分論證的基礎上舍去不合理的離散值。對于原位抗剪試驗，要了解試驗點的巖性、構(gòu)造、風化及地下水等因素對成果的影響。另外，試件制備時難免受到擾動，一般要求安排2組以上試驗，以便對比和分析。
(6)確定參數(shù)時要處理好主觀判斷與客觀評價的關系。
前述的巖體分級法、工程類比法及經(jīng)驗判據(jù)法(強度準則公式)都屬于經(jīng)驗法，其取值時的人為因素和個人經(jīng)驗對結(jié)果影響很大，實際操作中應盡量避免人為因素干擾，從地質(zhì)條件的客觀出發(fā)，分別按不同因素對參數(shù)進行修正，減少取值的隨意性。
(7)加強施工監(jiān)測，利用監(jiān)測資料進行“動態(tài)設計、信息化施工”。
由于工程地質(zhì)條件的復雜性和不確定性，地質(zhì)勘探、試驗、計算分析方法的局限性，我們對工程巖體性狀變化的認識有一定程度的不確定性。在施工中要加強巖體性狀的監(jiān)測，及時分析和判斷，調(diào)整、修改設計和施工方法，以保證施工安全和工程安全。尤其是隧洞施工支護，要根據(jù)發(fā)現(xiàn)的新情況及時修改設計，即采取“動態(tài)設計、信息化施工”，既要確保工程安全，又不能造成浪費。
(8)利用已建工程進行類比確定巖體力學參數(shù)是我們常用的方法。
但是沒有一個工程的地質(zhì)條件是完全相同的，而我們個人掌握的資料有限，每個人的經(jīng)驗千差萬別，往往僅通過少量個別因素相比較而獲得參數(shù)，人為因素的干擾較大，其結(jié)果可靠性較差。應多參考類似工程，并不斷積累工程經(jīng)驗。多年來筆者所在單位在湖北省水利水電工程勘測設計中做了大量的巖體物理力學室內(nèi)外試驗和原位測試，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。
4結(jié)論
(1)巖體力學參數(shù)的合理確定是水利水電工程中的一項基礎工作
直接關系到壩基、邊坡、地下洞室工程的安全性和經(jīng)濟性。由于巖體具有不均勻性、不連續(xù)性和隨時間變化的特性，準確確定巖體力學參數(shù)是非常困難的。在研究了有關規(guī)程規(guī)范和各種取值方法特點的基礎上，針對工程的重要性程度和地質(zhì)條件的復雜程度提出了巖體力學參數(shù)的綜合取值方法，分為地質(zhì)條件簡單的小型工程、地質(zhì)條件復雜的中型以上工程、重要的大型工程三個層次。針對具體的工程應當選擇合理的方法來確定巖體力學參數(shù)。水利水電工程巖體力學經(jīng)驗參數(shù)綜合取值研究對水利水電工程壩基、邊坡、地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究和計算具有重要理論意義和現(xiàn)實意義。
(2)中小型水利水電工程具有規(guī)模小、設計周期短、勘察試驗工作量有限的特點
在詳細地質(zhì)調(diào)查和少量室內(nèi)試驗的基礎上進行巖體分級，參考已建工程的成功經(jīng)驗類比確定巖體力學參數(shù)是一種簡單、快捷而有效的方法。結(jié)合工程經(jīng)驗指出了水利水電工程巖體力學參數(shù)取值時應該注意的問題，可以供相關的工程技術人員參考。
作者：陳漢寶 黃定強 彭義峰 熊友平 江妤 單位：湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院 中國地質(zhì)大學武漢工程學院
一、課程內(nèi)容及教學安排
1.教材選擇。
目前國內(nèi)巖體力學教材比較多，側(cè)重點也有所不同，通過對國內(nèi)其他兄弟院校授課教材調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基本上都是采用本校權威教授所編的教材或者是國家規(guī)劃教材。結(jié)合我校地質(zhì)學專業(yè)特色及課程教學團隊經(jīng)驗，采用我校劉佑榮教授所編的，由中國地質(zhì)大學出版社出版的《巖體力學》教材；2009年又再次對教材進行了重新編審，由北京化工出版社出版了修訂版的《巖體力學》教材，對部分章節(jié)進行了合并，并增加了目前國內(nèi)外研究方面的成果，例如結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡模擬等內(nèi)容。近2年授課則是以這本修編教材為主，但在部分章節(jié)的授課中也兼顧了蔡美峰主編的《巖石力學與工程》教材，供學生課后學習，以滿足本專業(yè)學生對巖體力學知識的需求。
2.課程內(nèi)容優(yōu)化。
結(jié)合教材的內(nèi)容編排，主要從以下幾方面的內(nèi)容來進行重點講解，包括巖體的地質(zhì)特征，巖體的物理、地下洞室圍巖應力重分布，邊坡巖體穩(wěn)定性分析等內(nèi)容。在具體內(nèi)容編排中也適當?shù)卦黾恿瞬糠謨?nèi)容，如在巖體的地質(zhì)特征章節(jié)，補充安排了工程巖體分類等內(nèi)容；在巖體強度與變形性質(zhì)方面，增加了地下工程巖體分級標準及體系的相關介紹；在內(nèi)容編排上突出地下建筑方向的專業(yè)特點及需求。
3.教學學時安排。
本課程的課時安排在第三學年的第五學期，總學時為40個學時，2.5個學分，其中課堂教學34個學時，實驗課6個學時。本門課程是在系統(tǒng)學習完理論力學、材料力學等力學基礎課后進行開設的。
二、課程教學方法改革
1.圍繞專業(yè)工程實例展開授課?！稁r體力學》課本身就是實踐性特別強的一門課，在進行每一章節(jié)的授課時，可以多以工程實例來展開，尤其是國內(nèi)外比較知名的工程實例，多多采用照片、錄像等生動形象的方式，來增加學生的感性認識，使學生投入其中，增強學生學習的興趣及熱情。例如，在講第五章地應力的時候，可以結(jié)合水利水電工程中，如錦屏電站的高地應力問題來說明地應力研究的重要性；在講邊坡工程，可以選用大量邊坡地質(zhì)災害的圖片。由問題入手，來追根溯源找到解決問題的源頭。
2.結(jié)合專業(yè)方向特色來授課。巖體力學作為土木工程、地質(zhì)工程、采礦工程等諸多工程的主干專業(yè)課，面對的專業(yè)層次不盡相同，在授課的時候盡量能結(jié)合專業(yè)背景展開。針對地下建筑工程方向的學生，要從學生的專業(yè)方向特色及專業(yè)需求來闡述。作為土木工程地下建筑方向的本科生，《巖體力學》這門學科的發(fā)展都與地下工程的發(fā)展是密不可分的。從本質(zhì)來講，縱觀巖體力學發(fā)展的幾個重要階段，從19世紀末～20世紀初的初始階段誕生的靜水壓力理論、側(cè)壓系數(shù)，到20世紀初～20世紀30年代的經(jīng)驗理論階段出現(xiàn)的普氏理論、太沙基理論，然后在20世紀30年代～20世紀60年代產(chǎn)生的圍巖和支護共同作用理論及地質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，這些重大理論及思想的誕生過程就是對地下工程認識實踐不斷深入的過程，并促進了巖體力學學科向前發(fā)展。在授課時，可以將這一發(fā)展脈絡講述給學生，并貫穿到后續(xù)的課程教學中，不僅大大地培養(yǎng)了學生對自己專業(yè)的自豪感，也加深了對自己專業(yè)的認識。
3.結(jié)合教師科研工作來授課。講授這門課的老師，不僅有科研經(jīng)歷豐富的教授博導，也有剛走出校園的博士年輕教師，他們在長期的工作和求學中，完成和參與了大量的科研項目，也取得了一定科研沉淀。在授課時，可以將這些科研成果進行整理，在每章結(jié)束時，抽出專門的時間，做個與授課內(nèi)容相關的小型專題講座，豐富學生的專業(yè)眼界的同時，也可將巖體力學最新的研究方法、手段和技術介紹給學生。例如，在講地應力一章，就曾經(jīng)將參與過的地應力測試及地應力反演分析的課題成果向?qū)W生進行介紹；講地下洞室穩(wěn)定性時，就將參與的軟巖隧道科研項目成果進行介紹；上課時的反響很熱烈，大大激發(fā)了學生科研的熱情，建立了專業(yè)教師和學生之間一座良好的溝通橋梁。尤其是對那些希望繼續(xù)攻讀研究生的學生，也為他們開啟了一扇科研的窗戶；此外，也讓學生了解授課老師及其團隊的專業(yè)方向及特長，為后續(xù)研究生報考提供了便利條件。
4.結(jié)合學生實踐課來展開。我?！稁r體力學》課程是安排在大三上學期，上這門課的學生僅僅經(jīng)歷的與此相關的實踐環(huán)節(jié)就是大二結(jié)束時的地質(zhì)學專業(yè)教學實習。雖然是地質(zhì)實習，但也是與這門課的研究對象———各類巖體在打交道，例如各種巖石、結(jié)構(gòu)面。在上課時，不妨將課程中提到的各種巖塊、結(jié)構(gòu)面等內(nèi)容與實習中能看到的種類聯(lián)系起來，使學生的認識更為深刻。例如，在談巖塊、結(jié)構(gòu)面和巖體的地質(zhì)特征時，便可列舉實習線路中各類成因、不同類型、不同特征的結(jié)構(gòu)面及巖石；在講結(jié)構(gòu)面的強度及變形性質(zhì)時，可以將實習中遇到的各種斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面等現(xiàn)象作為實例來分析其性質(zhì)上的差異。這些實例學生在實習中都親自參與過，已經(jīng)有了部分感性上的認識，重新回到課堂上學習其相關的知識，認識和教學效果也會更好。
《巖體力學》課程內(nèi)容豐富，更要求我們在教學時進行一定的教學改革，要結(jié)合所教學生專業(yè)方向的特點以及未來需求，多采用先進的教學手段和方法，注重加強理論基礎聯(lián)系工程實際的教學模式，提高學生認識問題深度和廣度，培養(yǎng)學生良好的工程專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)精神，為學生后續(xù)的發(fā)展奠定良好的基礎。
作者：左昌群 孫金山 羅學東 單位：中國地質(zhì)大學
摘要 通過對傳統(tǒng)的《巖體力學》課程建設的分析，根據(jù)教育部關于全面提高高等職業(yè)教育教學質(zhì)量的要求，深刻認識到傳統(tǒng)教學中課程建設的不足，從人才培養(yǎng)目標的定位、理論與實踐的比例及對接關系、“雙師型”教師隊伍建設、教材學材的合理科學選用四個方面提出了適合高職高專的《巖體力學》課程建設的探索性方案。
關鍵詞 1巖體力學； 2頂崗實習； 3工學結(jié)合
1、高職高專人才培養(yǎng)目標對課程教學的要求
根據(jù)《教育部關于全面提高高等職業(yè)教育教學質(zhì)量的若干意見》〔1〕，本著“工學結(jié)合、工學交替”，教學做合一的教學模式，人才培養(yǎng)要以就業(yè)為導向，突出實踐技能和職業(yè)技能的培養(yǎng)。課程安排本著知識由淺入深。循序漸進，先基礎后專業(yè)，在技能培養(yǎng)方面，將理論學習結(jié)合生產(chǎn)實踐，實行“做中學、做中教”，力爭實現(xiàn)實踐教學與崗位工作零距離對接。
《巖體力學》是水文與工程地質(zhì)專業(yè)的理論基礎課，是力學的一個分支。主要研究不同受力條件（例如荷載、水流、溫度變化）下巖體應力、應變、破壞、穩(wěn)定及加固規(guī)律的一門應用性學科，其研究目的是解決巖土、地質(zhì)、環(huán)境、水工、能源、土木、水利、冶金、交通、礦業(yè)工程等建設中遇到的相關問題〔2〕。《巖體力學》已經(jīng)廣泛應用于工程實踐中，帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益和工程實用價值。
2 、《巖體力學》傳統(tǒng)教學存在的問題
（1）從高職高專人才培養(yǎng)目標的定位上，很多教育工作者都很盲目，定位不準確甚至錯位；這樣的認識導致教師備課、講課、學生聽課等等環(huán)節(jié)都停留在對基礎知識的認知層面，即專業(yè)、專業(yè)課程內(nèi)容、教學過程、學歷證書階段，沒有更加進一步的把職業(yè)、職業(yè)標準、生產(chǎn)過程、職業(yè)證書對接起來。
（2）理論內(nèi)容偏重輕視了實踐環(huán)節(jié)，本門課程是具有悠久歷史的課程，在多年的教學中形成了比較完整科學合理的體系，但是這種教學方法比較適合教學研究型的教學，對于我們高職高專，已經(jīng)顯得理論的比例過于繁重，實踐明顯不足，教師和學生都注重理論知識的學習，輕視動手能力的培養(yǎng)，大批出現(xiàn)的高分低能學生，課堂和生產(chǎn)嚴重脫節(jié)。所以在傳統(tǒng)的研究型的培養(yǎng)目標基礎上應做比較徹底的改革。
（3）教材適應性較差，傳統(tǒng)的研究型教學使一批又一批的教材偏于理論，輕于實踐，學生學習難度大，乏味，因而也沒有主動學習的積極性，對于高職高專的學生需要一套理論難度適中、夠用，實踐比例偏大的教材、學材和與之配套的影像資料等。
（4）教學經(jīng)費的嚴重不足，由于在傳統(tǒng)的教學領域，一個教師、一根粉筆、一本書就可以完成一門課程，形成了填鴨式教學的模式，導致學生學習積極性極低。
（5）生產(chǎn)實踐教師的缺乏，切實加強教師隊伍建設。
現(xiàn)有的教師隊伍絕大部分從校門又走入校門，從理論中來又到理論中去了，更有甚者教材中的部分驗，教師根本就沒有接觸過，照本宣科，講起來乏味，聽起來不知所以然，嚴重影響了學生的學習積極性和學習效率。
（6）教學方法比較單一
3、《巖體力學》課程建設的重點、難點和解決方案
巖體力學課程涉及多個相關學科領域，其課程綜合性強、知識點多而雜、試驗項目與工程實際聯(lián)系緊密等特點，導致許多學生認為課程較難。所以采取有效的科學的教學方法引導學生盡快適應教學特點，并更好地掌握課程要求的知識技能是十分必要的。
課程建設的重點是對巖體的基本力學性質(zhì)理清概念、明確試驗原理及數(shù)理統(tǒng)計方法；難點是利用這些基本理論、原理能夠分析不同工程巖體在不同的力學條件下的穩(wěn)定性。
解決方案如下
（1）培養(yǎng)目標上遵循教高[2000]2號《教育部關于加強高職高專教育人才培養(yǎng)工作的意見》精神，明確指出：高職高專教育是我國高等教育的重要組成部分，高職高專教育人才培養(yǎng)模式的基本特征是：以培養(yǎng)高等技術應用性專門人才為根本任務；以適應社會需要為目標、以培養(yǎng)技術應用能力為主線設計學生的知識、能力、素質(zhì)結(jié)構(gòu)和培養(yǎng)方案，畢業(yè)生應具有基礎理論知識適度、技術應用能力強、知識面較寬、素質(zhì)高等特點。；以"應用"為主旨和特征構(gòu)建課程和教學內(nèi)容體系；實踐教學的主要目的是培養(yǎng)學生的技術應用能力，并在教學計劃中占有較大比重；"雙師型"教師隊伍建設是提高高職高專教育教學質(zhì)量的關鍵；學校與社會用人部門結(jié)合、師生與實際勞動者結(jié)合、理論與實踐結(jié)合是人才培養(yǎng)的基本途徑。
（2）教學方法：課堂教學采用靈活多樣的教學手段和方法：巖體力學的特點是概念多理論上較難理，但與生產(chǎn)實際緊密相連，所以在教學過程中解精講重點、恰當復習、圖文并茂、穿插一些案例結(jié)合理論，利用學生求知、求趣、求新的心理引導學生在輕松環(huán)境中掌握理論知識。
《巖體力學》本身的特點和傳統(tǒng)的粉筆+黑板書寫速度慢，單一，呆板，信息量小的缺點，課堂教學適當結(jié)合多媒體手段，充分利用多媒體課件授課內(nèi)容多、圖文并茂表現(xiàn)力豐富的優(yōu)點，提高授課效率，調(diào)節(jié)學生聽課情緒，調(diào)動學生積極性。這樣就要求教師制作多媒體課件時 要投入大量的工作，準備多樣的大量的圖片、影像素材，特別是有代表性的工程案例、近期的工程現(xiàn)場視頻以及新工藝、新設備、新技術等資料，從而使學生關注本專業(yè)領域的新動態(tài)，培養(yǎng)學生獨立思考問題的能力，擴展學生的知識面。課堂上大量運用啟發(fā)式：巖體力學課程中很多都是有大量的統(tǒng)計得出來的，亦多為經(jīng)驗公式，均有使用條件，在教學中強調(diào)經(jīng)驗公式地方性、條件限制性致使我們在實踐中使用時，不能照抄照搬一定結(jié)合生產(chǎn)實際，再結(jié)合實例讓同學們?nèi)バ薷耐晟平?jīng)驗公式，學生積極性會大大增強。多媒體教學是現(xiàn)代教學不可缺少的方式，充分利用好多媒體，讓多媒體真正多起來，ppt、錄像、動畫、網(wǎng)絡視頻等等。
（3）《巖體力學》課程建設改革中教材的使用與建設
學院教學改革以來，大力加強教材的建設，提倡教師根據(jù)現(xiàn)有學生的接受能力和基礎知識的掌握程度，編寫一些實用性強，靈活方便的學材，教學效果比較好。由于教材的編寫需要周期比較長，所以大多數(shù)落后于新的科技發(fā)展。為了讓學生能夠及時準確地接受新科技新技術，投入大量的人力進行學材的編寫，這樣使學生學習的內(nèi)容和形式靈活多樣，能夠與新的科技成果，新的技術進步同步，效果顯著。
（4）切實加強“雙師型”教師隊伍建設
國務院印發(fā)了《關于加強教師隊伍建設的意見》，教育部配套制定了《職業(yè)學校兼職教師管理辦法》，為加強“雙師型”教師隊伍建設提供了制度保障。我們將進一步加強教師培養(yǎng)培訓工作，完善“雙師型”教師隊伍建設機制。希望學會在標準制定、基地建設、教師培訓等方面發(fā)揮更大的作用，扭轉(zhuǎn)“雙師型”教師缺乏的局面，為技術技能人才培養(yǎng)提供的有力支撐。
教育部副部長魯晰指出：中長期來看，產(chǎn)業(yè)加速轉(zhuǎn)型和高技術的技術型的人才匱乏的矛盾也非常突出。技術技能型有三種人，第一類是工程師，第二類是高級技工，第三類是高素質(zhì)勞動者。”魯昕解釋說，之前的職業(yè)教育只講技能，隨著信息技術的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級，技能需以技術為基礎。這就需要我們的教師隊伍率先技能化。招聘教師要求參加過生產(chǎn)、或讓現(xiàn)有的教師到生產(chǎn)單位參加實踐，并把這個工作量化，即要求教師必須每年參加一定量的生產(chǎn)才可以授課。
（5）《巖體力學》課程建設改革中的實踐教學建設
實踐性教學環(huán)節(jié)
A、加強課堂討論，提高學生學習興趣，由一個案例入手，例如三峽水利樞紐是開發(fā)和治理L江的一項關鍵性骨干工程，三峽工程區(qū)內(nèi)共有各類崩塌、滑坡體2490處。其中秭歸縣千將坪滑坡比較典型〔3〕，以此為契機，布置任務，同學們查閱資料，用巖體力學觀點去分析滑坡的地質(zhì)特征與成因機制。課堂可以展開討論，最后教師總結(jié)邊坡穩(wěn)定分析的要素，內(nèi)容充實、方法靈活，自然會有顯著的效果的。
B、課堂實驗環(huán)節(jié)要嚴格執(zhí)行巖土試驗的操作規(guī)程，《巖體力學》課程課內(nèi)試驗共有5―8個試驗，學生在實驗教師的指導下要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成教學標準中要求的每個試驗的操作；并組織一年一度的巖土試驗競賽；組織力量強大教師團隊編寫配套的實驗教材《巖體力學實驗指導書》該指導書對于課程標準中規(guī)定的幾個試驗從原理、實驗設備和操作步驟都有具體、詳細的講解，規(guī)定了規(guī)范的實驗報告格式，為學生將來工作打下良好的基礎。
C、現(xiàn)場參觀和理論知識結(jié)合，促進學生從感性認識到理性認識的的飛躍。根據(jù)教學需要安排幾個施工現(xiàn)場：邊坡、洞室、巖體地基，讓學生認識這幾種工程巖體的地質(zhì)、 地貌、應力等問題。參觀后要求學生編寫參觀體會和簡單的報告。
D、頂崗實習和畢業(yè)設計〔4〕，頂崗實習是堅持以就業(yè)為導向、創(chuàng)新“工學結(jié)合”人才培養(yǎng)模式，提高高素質(zhì)技能型人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。通過頂崗實習使學生能夠盡快將所學專業(yè)知識、崗位技能與生產(chǎn)實際相結(jié)合，實現(xiàn)在學期間與企業(yè)與崗位零距離對接，使學生樹立起職業(yè)理想，養(yǎng)成良好的職業(yè)道德，練就過硬的職業(yè)技能，從根本上提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，為確保頂崗實習各項任務的順利完成，提高實習質(zhì)量我們需進一步加強頂崗實習的組織管理，嚴格按照頂崗實習的課程標準要求學生。在頂崗實習基礎上完成學習期間的畢業(yè)設計或畢業(yè)論文。使學生工作能力有進一步的提升。
結(jié)語：《巖體力學》課程是工程類專業(yè)的專業(yè)基礎課，此次《巖體力學》課程建設的改革符合《教育部關于全面提高高等職業(yè)教育教學質(zhì)量的若干意見》要求的教學改革的發(fā)展趨勢，教學手段、教學方法比較先進，實踐教學能夠與實際生產(chǎn)緊密結(jié)合，通過這樣的改革能夠達到高職教育的五個對接：專業(yè)與產(chǎn)業(yè)對接，課程內(nèi)容與職業(yè)標準對接，教學過程與生產(chǎn)過程對接，學歷證書與職業(yè)資格證書對接，職業(yè)教育與終身學習對接。使《巖體力學》課程的教學水平在高職高專教育中得到進一步的提升。
摘要:在巖體工程穩(wěn)定性分析中,力學參數(shù)的選取會對計算結(jié)果產(chǎn)生重大影響。所以如何準確的反演青島地鐵上覆巖層巖體力學參數(shù),進一步完善青島地區(qū)巖體分級標準是本論文要解決的問題。
關鍵詞:有限元強度折減法;安全系數(shù);巖體力學參數(shù)
0引言
青島坐落于大面積分布的燕山晚期花崗巖上,具有良好的地質(zhì)條件,而且青島市地鐵一期工程,80%以上的線路處于花崗巖中,其余隧道處于第四系地層中。青島市特有的花崗巖地質(zhì)條件,對土建方面而言,將節(jié)約大量的投資,土建造價大大低于其他城市,所以對青島地鐵上覆巖層巖體力學參數(shù)的研究就有其重要意義!所以本文研究任務是針對現(xiàn)有規(guī)范對青島地下工程設計不盡適應的問題,利用青島地鐵水清溝試驗段的觀測資料,對青島地鐵上覆巖層巖體力學參數(shù)進行驗算和反演,為青島地區(qū)巖體分類進一步研究打下基礎。極限分析有限元法在邊坡穩(wěn)定分析中取得了成功[1-2],并逐漸在地基、基坑穩(wěn)定分析中得到推廣應用[3]。鄭穎人、胡文清、張黎明等人[4-6]開始將有限元強度折減法應用于隧道,由此求得隧道的剪切安全系數(shù)。這就給我們提出了一個新的思路,通過安全系數(shù)反演巖體的力學參數(shù),進一步修正巖體力學參數(shù),最終得到適合青島地鐵上覆巖層的巖體力學參數(shù)。
1剪切安全系數(shù)的定義
安全系數(shù)是指剪切破壞面上實際巖土體的強度與破壞時的強度的比值。就是事先假定一滑動面,根據(jù)力(矩)的平衡來計算安全系數(shù)。將安全系數(shù)定義為沿滑面的抗剪強度與滑面上實際剪力的比值,如式(1)所示:
ω==(1)
式中,ω――傳統(tǒng)的強度折減安全系數(shù);s――滑動面上各點的抗剪強度;τ――滑動面上各點的實際剪應力。將式(1)兩邊同除以,則式(1)變?yōu)?
1==(2)
其中:c′=,φ′=arc()
可見,極限平衡法是將巖土體的抗剪強度指標c和tanφ減少為和,使得巖土工程達到極限穩(wěn)定狀態(tài)時的ω即為安全系數(shù),實際上就是強度折減系數(shù)。
2工程概況
青島地鐵試驗段工程選取了地質(zhì)條件具有代表性的區(qū)間(水清溝~國棉五廠),由1200m的區(qū)間隧道和218m的青紡醫(yī)院站組成。
青島地鐵試驗段區(qū)間隧道為雙洞單線,雙洞之間的距離為9m,區(qū)間隧道埋深為10~20米,橫斷面型式為直墻三心圓拱,跨度為4.86m,直墻高3.54m,拱高1.82m。計算選取三個不同埋深的截面,分別為10m、14m和18m。
巖體主要為花崗巖,處于微~未風化帶,結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清晰,巖體以整體塊狀結(jié)構(gòu)為主,完整性好,根據(jù)國際《工程巖體分級標準》GB50218-94,分別屬于Ⅱ、Ⅲ類圍巖。
在節(jié)理方面:產(chǎn)狀走向以NE~NEE向為主體,其次以NW~NWW向,傾角70~80度為主,部分50度左右,節(jié)理裂隙存在一定程度的未貫通巖橋,裂隙連通率統(tǒng)計在24~75%,結(jié)構(gòu)面緊閉,巖塊堅硬。結(jié)構(gòu)面以閉合~微張裂隙為主,平面光滑,猶如刀切。
3均質(zhì)巖質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定分析
計算按照平面應變問題來處理,準則采用DP4準則,邊界范圍取底部及左右兩側(cè)各5倍隧道跨度[2],地面超載按照國家規(guī)范標準20KN/m2,按照《工程巖體分級標準》,各級圍巖的物理力學指標標準值如表1,下標上下表示圍巖的上下限。
經(jīng)過ANSYS有限元計算,逐步折減強度參數(shù),分別得到各種工況的剪切破壞安全系數(shù)見表2,分析發(fā)現(xiàn):①安全系數(shù)隨埋深深度減少,明顯出現(xiàn)兩側(cè)直墻先破壞;②通過破壞時等效塑性應變圖可找出最大應變發(fā)生在拱角和墻角處,而且根據(jù)圍巖等效塑性應變發(fā)生突變時各斷面中等效塑性應變最大點的位置,可以發(fā)現(xiàn)圍巖的潛在破裂面。
在Ⅱ上圍巖下、埋深18米的工況下,隧道的塑性區(qū)和應力應變圖如圖1、圖2所示。
4節(jié)理裂隙巖質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定分析和巖體力學參數(shù)反演
選取埋深18米的斷面,因為埋深18米的跨度最長,且通過地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)大部分為微~未風化花崗巖,且所處斷面最上面基本沒有覆土層,分別屬于Ⅱ、Ⅲ類圍巖。為了簡化模型,考慮如下情況:只考慮一組起重要作用的結(jié)構(gòu)面(產(chǎn)狀走向為NE~NEE向),傾角75°,間距2.5米,貫通率為75%。各級圍巖參數(shù)見表3。
經(jīng)過有限元強度折減,最終分別得到各類圍巖下的安全系數(shù)見表4。
在Ⅱ上圍巖下、埋深18米的工況下,隧道的塑性區(qū)和應力應變圖如圖3、圖4所示。
所以在埋深18m情況下,通過均質(zhì)巖質(zhì)中給出的安全系數(shù)與節(jié)理裂隙巖質(zhì)的安全系數(shù)比較,進行反演,最終在表5中,對一、二、三類圍巖巖體的強度參數(shù)提出了建議值。
對表5中給出的各級圍巖巖體的強度參數(shù)建議值研究發(fā)現(xiàn):對II類和III類圍巖的,值較規(guī)范值增大,這說明青島地鐵上覆巖層主要是花崗巖,巖性好,所以巖體強度參數(shù)建議值要大于規(guī)范中的給定值。
最后通過《青島地鐵第一期工程 水清溝――青紡醫(yī)院試驗段 施工地質(zhì)、變形量測、環(huán)境檢測總結(jié)報告》中的位移檢測,驗證了反演的強度參數(shù)建議值的合理性。
最終通過分析發(fā)現(xiàn):相對于青島花崗巖地區(qū),規(guī)范中給出的巖體分類的強度參數(shù)偏低,按照規(guī)范中的參數(shù)進行設計就會偏于保守,所以針對青島地區(qū)花崗巖的巖性特征,筆者對規(guī)范中給出的巖體分類的強度參數(shù)做了修正,為進一步確定了青島地鐵上覆巖層巖體分類打下基礎。
摘要:采用新奧法進行隧道工程施工時,設計單位只能根據(jù)監(jiān)控單位和施工單位反饋的監(jiān)控數(shù)據(jù)和隧道開挖揭露情況對設計的合理性進行宏觀判斷,隧道設計時應把力學計算和實際背景巖體力學參數(shù)相結(jié)合,才能更科學、經(jīng)濟的按照新奧法的理念完成隧道工程的設計、施工。
關鍵詞:新奧法;巖體力學參數(shù);單軸抗壓強度
0 引言
在現(xiàn)時的公路建設中,為滿足線型、車速、里程、生態(tài)環(huán)境等要求,隧道工程已被大量采用。建設環(huán)境的不可預知性是隧道工程最大的特點,在施工中,開挖的圍巖與設計不符的情況屢見不鮮。
鑒于此,新奧法(NATM)被流行地應用于隧道工程工作中。而施工監(jiān)控量測則是新奧法施工方法中的重要工序之一。
施工監(jiān)控量測是將施工過程中的圍巖穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)承載能力、初期補強及二次襯砌合理的施作時間、開挖揭露巖體的力學參數(shù)等情況反饋給設計與施工以達到優(yōu)化設計參數(shù)、優(yōu)化施工方案及施工工藝目的的工序。
1巖體力學參數(shù)的重要性及其在新奧法施工中的現(xiàn)狀
監(jiān)控量測的內(nèi)容在相關技術規(guī)范中已做了相關規(guī)定,著重于對揭露圍巖情況的觀察以及開挖洞室的凈空變化、圍巖的蠕變趨勢、結(jié)構(gòu)及圍巖的應力、應變及位移大小量測等。由這些監(jiān)控數(shù)據(jù)在指導施工中起到了很直觀、重要的作用。但是對巖體的力學參數(shù)測試包括抗壓強度、變形模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比、圍巖完整性指數(shù)、應力強度比等沒有引起足夠的重視。只有在少數(shù)工程中對力學參數(shù)進行了監(jiān)測。在進行隧道的圍巖基本質(zhì)量分級和力學建模計算分析時,這些參數(shù)是必不可少的。
對于工程巖體這樣復雜多變的隧道工程,為了選擇一條正確的設計途徑,一方面要使經(jīng)驗方法科學化;另一方面還要使設計中所進行的力學計算具有實際背景。
為了做到這點,現(xiàn)場的監(jiān)控測試就應該提供更多的依據(jù),這樣才能把力學計算和實際情況更好的結(jié)合。
現(xiàn)在的勘察設計單位都存在時間緊、任務重的問題,勘察單位不能對隧道的地質(zhì)情況做詳細細致的勘察工作,而設計單位也只能根據(jù)勘察單位提供的有限的勘察資料更多的采用工程類比法進行設計。
然而隧道的圍巖揭露情況與勘察情況有很大一部分不相符。在出現(xiàn)不相符時,設計單位只能根據(jù)監(jiān)控單位和施工單位提供的資料進行設計變更。
變更時分兩種情況,第一種,設計偏弱,設計只能根據(jù)有限的資料進行一定的補強設計;第二種,設計偏強,實際工作中,此種情況一般未變更設計。
第一種情況,在實際工作中影響施工進度,有時還給工程留下隱患,甚至造成質(zhì)量安全事故;第二種情況,使工程不能體現(xiàn)其經(jīng)濟性,甚至造成不必要的浪費。要想隧道工程設計更加科學合理,設計方就必須要有足夠的資料作為設計的背景。在施工過程中,監(jiān)控量測作為提供設計資料背景方,應該不僅要為設計方提供凈空變化、圍巖的蠕變趨勢、結(jié)構(gòu)及圍巖的應力、應變及位移大小等作為宏觀判斷設計合理性的依據(jù),還應提供更細致的巖體的力學參數(shù)為隧道的力學計算提供直觀依據(jù),這樣才能更為科學、經(jīng)濟的完成整個隧道的新奧法設計、施工。
2巖體力學參數(shù)測試和計算方法簡介
2.1 抗壓強度是指巖石單軸飽和抗壓強度(RC),按照抗壓強度試驗的試件的尺寸、精度、含水率制作試件,以0.5~1MPa/s的速度加載直到破壞,記錄試件破壞形態(tài),逐級記錄荷載及應變值,并繪制應力與縱向應變和橫向應變曲線圖,按照R=計算其單軸抗壓強度,按照Eav=,μav=計算平均彈性模量、平均泊松比(σa,σb分別為曲線上直線段始點、終點應力值,εa-εb分別為σa,σb處縱向應變值,εda-εdb分別為σa,σb處橫向應變值)。
2.2 黏聚力、內(nèi)摩擦角可由原位試驗得到。
2.3 圍巖完整性指數(shù)可以由KV=求得,縱波、橫波速度可以用巖石超聲波參數(shù)測定儀、縱橫波換能器測得。
2.4 應力強度比可由Sm=式計算得到,σmax為巖體的最大主應力。
3結(jié)論及改善建議
逐步的優(yōu)化設計、施工參數(shù),使隧道工程建設經(jīng)濟、科學、安全的完成,使新奧法施工廣泛應用于隧道工程修建的主要原因,但此種施工方法只是更多的反饋于施工,在設計中其作用還未得到更好體現(xiàn)。
要想新奧法中的監(jiān)控量測結(jié)果更好地反饋于設計,巖體的力學參數(shù)的監(jiān)測在監(jiān)控量測中的重要性就必須得到體現(xiàn)。
巖體的力學參數(shù)的監(jiān)測在隧道施工監(jiān)控量測中很少實施,原因是隧道工程實施的相關人員未意識到此項工作的重要性。為了新奧法能更好的應用到隧道設計、施工生產(chǎn)中去,相關人員應對此項工作的作用給予足夠的重視,配備相應的人員和設備來完成此項工作。
摘要：為適應當前勘察、土木、地質(zhì)、石油等行業(yè)對相關專業(yè)本科畢業(yè)生的高要求，本文基于巖體力學的特點，詳細分析了當前我國巖體力學本科教學的現(xiàn)狀以及進行改革的必要性。在此基礎上，從教學內(nèi)容、試驗環(huán)節(jié)、教學方法等方面提出了初步的改革措施。以期通過這些措施，提高巖體力學本科教學質(zhì)量，培養(yǎng)適應社會發(fā)展和時代要求的復合型人才。
關鍵詞：巖體力學;教學內(nèi)容;試驗教學;數(shù)值仿真;教學方法
巖體力學是土木工程、石油工程、地下工程、水利水電工程、地質(zhì)工程、采礦工程、勘查技術與工程等專業(yè)本科生的重要專業(yè)基礎課之一，是研究巖體在外界因素（荷載、水、溫度等）作用下的應力、變形、破壞、穩(wěn)定性與加固的學科，理論基礎廣泛，涉及地質(zhì)學、固體力學、流體力學、計算數(shù)學、地球物理學等學科知識[1，2]。通過這門課程的學習，學生能夠建立起有關巖體力學的基本理論體系以及相應的工程概念（如強度理論、工程巖體分類、穩(wěn)定性分析），為后面的相關專業(yè)課（如基礎工程、鉆探工藝學、計算巖土力學、礦山壓力與巖層控制）提供必要的知識儲備，也為畢業(yè)后從事建筑、勘探、采礦、采油等相關工作奠定必備的理論基礎。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量的巖土工程廣泛興起，復雜的巖體力學問題不斷涌現(xiàn)，從而對高校培養(yǎng)的相關專業(yè)人才的綜合能力提出了更高的要求：不僅要具有扎實的專業(yè)基礎知識，還要有一定的分析和解決現(xiàn)場實際問題的能力[3]。
作為人才培育的主要基地，高校在巖土工程人才培養(yǎng)過程中，在培養(yǎng)模式以及相關的各類軟硬件條件等方面已經(jīng)遠遠跟不上社會發(fā)展的步伐及社會對復合型人才的需求[4]。因此，針對當今社會的實際需求，如何安排好巖體力學教學，培養(yǎng)合格的本科生，成為擺在各大高校相關教師面前的重要問題。
一、巖體力學教學改革的必要性
巖體在形成與存在過程中，長期遭受著復雜的建造與改造地質(zhì)作用，最終變成一種被大量不同類型與規(guī)模的斷層、節(jié)理、層理、片理、裂隙等結(jié)構(gòu)面切割包圍而成的材料，具有非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性的特點。同時，巖體還賦存于復雜的天然應力狀態(tài)和地下水中。這些使工程巖體的力學行為極其復雜，通常呈高度非線性。巖體力學問題大多是病態(tài)的、不確定的、多尺度的，很難找到一種解析或數(shù)值算法進行精確地求解[5]。從而，依托于巖體上的各類工程（如地下空間與地下隧道工程、巖質(zhì)邊坡工程、巖石地基與壩基工程、采礦工程以及鉆井工程）的設計計算分析極為復雜，目前實際工作中，仍通過以工程經(jīng)驗、現(xiàn)場試驗與監(jiān)測為主，理論指導為輔來完成。可以說，巖體力學還很年輕，知識體系還不夠完善，許多理論尚不成熟，自身發(fā)展速度遠遠落后于工程實踐的要求。
隨著中國能源、交通、水利、國防、城市建設等事業(yè)的發(fā)展，巖體工程建設越來越多，規(guī)模也越來越大，這些給巖體力學帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，也對相關從業(yè)人員提出了更高的要求。然而，作為培養(yǎng)高級人才的搖籃，高校在巖體力學本科教學方面還存在很多問題，比如教材陳舊、內(nèi)容落后、試驗教學不足、理論與實際脫節(jié)嚴重、課堂教學方法落后、教學手段單一，在很大程度上影響了本科生在實際工作中解決復雜問題的能力和創(chuàng)新能力。因此，開展巖體力學本科教學改革是十分必要的。通過教學改革，旨在既提高相關從業(yè)人員的基本素質(zhì)與實踐能力，又為培養(yǎng)高層次復合型人才打下堅實的理論基礎。
二、巖體力學本科教學改革的主要內(nèi)容
筆者認為巖體力學本科教學改革應從多方面著手：與時俱進地優(yōu)化教學內(nèi)容，以實際工程為教學案例密切聯(lián)系實際，增加室內(nèi)試驗與數(shù)值仿真等試驗教學環(huán)節(jié)，改革教學方法，從而探索滿足當今社會快速發(fā)展條件下的巖體工程建設需求的復合型人才培育的教學方法。
（一）優(yōu)化教學內(nèi)容
目前國內(nèi)高校巖體力學本科課程無統(tǒng)一教材，教學內(nèi)容由任課教師自己掌握。相關教材也比較多，如沈明榮與陳建峰主編的《巖體力學》（2006），劉佑榮與唐輝明主編的《巖體力學》（2009），陳海波等主編的《巖體力學》（第2版，2013）以及陽軍生與陽生權主編的《巖體力學》（2008）。各教材在基礎理論方面的表述基本上是一致的，只是在工程應用方面?zhèn)戎攸c有所不同。筆者認為各任課教師應根據(jù)其校本專業(yè)特點，依據(jù)教學大綱與學時安排，以一本教材為主、多本教材為輔的方針授課，在講授巖體力學基本原理與知識的基礎上，以實際工程進行案例教學，并適當向?qū)W生介紹當前的新概念、新技術、新方法等發(fā)展動態(tài)與學科前沿，提升學生的學習興趣，拓寬學生的知識面。
本校地質(zhì)工程專業(yè)（巖土鉆掘方向）的巖體力學本科課程，根據(jù)國家學科組指定的教學大綱，編制授課計劃，結(jié)合本專業(yè)的特色與發(fā)展需要，對大綱進行了適當調(diào)整與修改。教材以教育部地質(zhì)工程教學指導分委會推薦的劉佑榮與唐輝明主編的《巖體力學》為主，以《Fundamentals of rock mechanics》、《巖石力學與工程》、《巖石力學與石油工程》、《鉆井巖石力學》、《礦山巖石力學》等相關教材為輔，刪除其他相關課程的重復性內(nèi)容，同時補充隧道鉆掘、地下工程支護、工民建勘察、大陸科學鉆探以及石油鉆井等方面的工程實例，根據(jù)本校本專業(yè)本科教學計劃40學時左右的內(nèi)容進行編輯，在滿足本專業(yè)學生對巖體力學認知與掌握的需求的同時，實現(xiàn)專業(yè)基礎知識扎實、知識面寬的復合型人才培養(yǎng)要求。
（二）增加試驗教學環(huán)節(jié)
試驗是巖體力學教學的重要環(huán)節(jié)，但是限于學時、設備、經(jīng)費等原因，在本科教學過程中一般只能有選擇地讓學生動手做幾種相關室內(nèi)試驗，難以很好地培養(yǎng)學生的動手能力，因此，增加試驗教學環(huán)節(jié)勢在必行。筆者認為可以從如下三個方面來解決這個問題：
1.通過與相關試驗室相關人員協(xié)調(diào)，在課余時間借用試驗，開展相關巖體力學試驗，從而盡可能多地鍛煉學生的實際動手能力;在不影響試驗室正常運行的前提下，將學生劃分多批次，參觀有關科研項目的巖體力學試驗過程，以實現(xiàn)盡可能多地感性認識巖體力學課堂上講授的理論知識。
2.通過鼓勵和指導本科生積極參與所在院系教師的相關科研項目、科技報告會項目、大學生創(chuàng)新基金項目等活動，在項目中實際運用巖體力學知識，進一步鍛煉學生認識、分析與處理巖體力學問題的能力。
3.充分利用計算機仿真技術[6]，采用數(shù)值仿真手段彌補試驗場地和設備的不足[7，8]，并初步培養(yǎng)學生運用數(shù)值模擬與理論相結(jié)合的方法，分析邊坡穩(wěn)定性、地下隧道與礦山開采圍巖變形、地基巖體穩(wěn)定性、井壁穩(wěn)定性等實際工程問題。
通過以上措施實現(xiàn)室內(nèi)試驗與數(shù)值仿真試驗教學環(huán)節(jié)的增加，使本科生在實踐中體會所學知識，找到自己的不足，增強對巖體力學的理解與掌握，鍛煉動手能力，提高分析問題、解決問題的能力與創(chuàng)新能力。
（三）改革教學方法
目前以多媒體電子課件為主、黑板板書為輔的教學方式已被廣泛應用于高校教學中。巖體力學是一門理論性與實踐性均很強的學科，教師應針對此特點開展教學活動。但是，限于學時、安全等原因，任課教師通常無法帶學生到現(xiàn)場進行實地參觀講解。為了加強理論與實踐的相接軌，就需要充分利用電子課件能夠圖文并茂、聲像俱佳的優(yōu)勢，形象生動地向?qū)W生傳遞工程現(xiàn)場信息，從而彌補實踐的不足。
對于理論方面，采用傳統(tǒng)的板書教學方法補充多媒體教學，對重點、難點公式用板書一步步推導，便于學生理解與記憶。增加課上與學生互動環(huán)節(jié)，如讓學生回憶上堂課內(nèi)容，多多就知識點提問，增加課堂作業(yè)環(huán)節(jié)，添加學生分組演講報告環(huán)節(jié)。增加課下與學生互動，如建立QQ群、微信朋友圈，在上面經(jīng)常行業(yè)最新動態(tài)的圖片、新聞、視頻，發(fā)表小課題引導學生討論，以及邀請學生參加自己的科研項目。改革考核方式，總成績既包括期末閉卷考試成績，又包括平時表現(xiàn)、試驗報告、文獻綜述報告等。
通過以上種種手段，更好地調(diào)動學生的學習積極性，更好地培養(yǎng)學生的學習能力與解決問題的能力，更加公平地評價學生的課業(yè)表現(xiàn)。
三、結(jié)語
巖體力學內(nèi)容豐富、知識復雜，給本科教學帶來了挑戰(zhàn)與機遇。筆者針對目前巖體力學本科教學方面的不足，從教學內(nèi)容、試驗環(huán)節(jié)、教學方法等方面提出了初步的改革措施。以期通過這些改革，既能促進學生更好地掌握巖體力學的基礎知識與技能，又能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力與實踐能力，為國家培養(yǎng)滿足行業(yè)需求的復合型人才。
摘 要：節(jié)理巖體的力學參數(shù)是與巖體相關的地下工程設計的主要依據(jù)。區(qū)別于實驗室完整巖塊，現(xiàn)場原巖中結(jié)構(gòu)面的存在顯著弱化了巖體的強度，為地下工程設計帶來了一定的不確定性。為解決此問題，本論文擬采用基于顆粒流的數(shù)值模擬方法，為節(jié)理巖體的力學參數(shù)量化提供一種新思路。
關鍵詞：顆粒流;巖體力學;模型參數(shù)
1 概述
顆粒流是近年來興起的主要應用于硬巖的數(shù)值模擬新方法。區(qū)別于現(xiàn)有的連續(xù)性數(shù)值模型，顆粒流以不可破壞圓形顆粒作為基本單元，通過顆粒之間的粘結(jié)來顯式模擬完整巖塊的脆性破壞。當顆粒之間的拉應力超過顆粒粘結(jié)的拉強度時，裂紋被標記為拉破壞，反之當顆粒之間的剪應力超過粘結(jié)的剪強度時，裂紋被標記為剪破壞。通過這種簡單的接觸關系，顆粒流方法可以精確再現(xiàn)巖塊在壓縮或者拉伸狀態(tài)下的裂紋擴展模式。顆粒流方法通過顆粒之間的微觀接觸來控制模型的宏觀破壞模式，模型的宏觀力學參數(shù)是通過不斷校對這些微觀接觸參數(shù)來實現(xiàn)的。
2 顆粒流模型
本論文采用的實驗室完整巖塊的力學參數(shù)來源于灰?guī)r，包括峰值強度：122MPa，彈性模量：80.0GPa，泊松比：0.25。圖1顯示了不包含任何節(jié)理的顆粒流模型，用于初始的顆粒接觸微觀參數(shù)校對，其中三個測量圓用于監(jiān)測模型在單軸壓縮過程中的應力應變變化。然后建立三個包含結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體顆粒流模型;每個模型包含三組節(jié)理，其中主節(jié)理組1的傾向為0度，主節(jié)理組2的傾向為90度，兩組主節(jié)理的產(chǎn)狀設置為相同;次節(jié)理組3設置為與兩組主節(jié)理同時垂直。為了描述方便，本論文以主節(jié)理的傾角作為標識：R-30、R-60、R-90分別表示模型中主節(jié)理的傾角為30、60、90度。各組節(jié)理的平均直徑均設置為0.5m。
3 模型解譯
本論文主要考慮節(jié)理巖體在單軸壓縮狀態(tài)下的力學參數(shù)，包括巖體的峰值單軸抗壓強度和彈性模量。由于工程巖體的尺寸在大多數(shù)情況下不適合現(xiàn)場原位試驗，目前這兩個力學參數(shù)主要通過經(jīng)驗或者半經(jīng)驗方法估算，這樣不可避免地會產(chǎn)生適應性不足的問題。本論文介紹的顆粒流方法從數(shù)值模型的角度提供了一種新思路。通過一系列針對圖1中完整巖塊模型的單軸壓縮試驗，最終校對的顆粒流模型微觀參數(shù)如表1所示。完整巖塊在單軸壓縮過程中的應力應變曲線如圖2所示，從中可以確認基于表1的微觀參數(shù)所得結(jié)果符合第2節(jié)列出的灰?guī)r力學參數(shù)。表1同時提供了結(jié)構(gòu)面的力學參數(shù)。
圖2 完整巖塊單軸壓縮應力應變曲線
圖3顯示了節(jié)理巖體數(shù)值模型的單軸壓縮應力應變曲線，這些節(jié)理巖體的峰值強度和彈性模量也標注于該圖中。數(shù)值模擬的結(jié)果顯示節(jié)理巖體的峰值強度明顯受到結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的控制。巖體強度隨主節(jié)理的傾角變化顯示出典型的U型特點，即當節(jié)理傾角從15度增加到45度時，巖體強度從47.1MPa減小到24.5MPa，然后逐漸增大到52.0MPa（主節(jié)理傾角90度）。強度的U型變化可以從節(jié)理巖體的破壞模式來分析（完整巖塊控制和結(jié)構(gòu)面控制）。根據(jù)簡單力學分析，當結(jié)構(gòu)面的摩擦系數(shù)大于結(jié)構(gòu)面的傾角時，沿結(jié)構(gòu)面的完整巖塊剪切破壞會被阻止。這種條件下節(jié)理巖體的破壞主要由節(jié)理間的完整巖塊控制，考慮到巖塊的強度遠大于結(jié)構(gòu)面的剪切強度，當節(jié)理巖體的破壞是結(jié)構(gòu)面控制時，巖體峰值強度會偏小。
節(jié)理巖體的彈性模量呈現(xiàn)出與峰值強度類似的U型變化特征（圖3）。當主節(jié)理傾角從15度增加到90度時，彈性模量首先從42.2GPa減小到29.9GPa和30.2GPa，然后增加到40.7GPa和52.5GPa。類似的，由于結(jié)構(gòu)面的剛度小于完整巖塊的剛度，當巖體的破壞是結(jié)構(gòu)面控制型時，節(jié)理巖體的彈性模量偏小，反之，節(jié)理巖體的模量偏大。
4 結(jié)論
本論文展示了應用顆粒流量化節(jié)理巖體的力學參數(shù)的新型數(shù)值模擬方法。通過作用于完整巖塊模型的單軸壓縮試驗，本論文首先校對了顆粒之間的微觀參數(shù)，然后通過一系列不同結(jié)構(gòu)面分布的節(jié)理巖體模型，本論文確認節(jié)理巖體的峰值單軸抗壓強度呈現(xiàn)出典型的U型變化，即當巖體所含節(jié)理有利于巖塊的剪切滑移時，節(jié)理巖體的強度顯著減小;而當節(jié)理不利于巖塊的剪切錯動時，節(jié)理巖體的強度更多地受到巖體中完整巖塊控制，強度顯著上升。節(jié)理巖體的彈性模量呈現(xiàn)出與強度相同的變化規(guī)律。本論文為量化節(jié)理巖體的力學參數(shù)提供了額外的途徑，論文結(jié)論可以作為地下巖體工程設計的參考。
摘要：本文闡述巖土力學發(fā)展歷史和概貌，巖體力學的基本研究內(nèi)容和研究方法，以及當今巖土力學發(fā)展存在的問題，對巖石力學研究提出的更高一個層次的要求，使巖石力學面臨許多前所未有的問題和挑戰(zhàn)，急需解決和提高巖石力學理論和方法的研究水平，以適應工程實踐的需要。
關鍵詞：巖土力學，發(fā)展，新技術，展望
引言巖體力學是近展起來的一門新興學科和邊緣學科，應用范圍涉及采礦、土木建筑、水利水電、鐵道、公路、地質(zhì)、地下工程等眾多的與巖石工程相關的工程領域，一方面它是上述工程領域的理論基礎，另一方面正是上述領域?qū)嵺`促使了巖體力學的誕生與發(fā)展，作為地球科學的一個重要組成部分面臨一系列新的機遇和挑戰(zhàn)。
一、巖體力學的發(fā)展歷史和概貌
（1）初始階段（19世紀末～20世紀初）
這是巖石力學的萌芽時期，產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學計算問題。海姆提出了靜水壓力的理論認為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)，作用在地下巖石工程上的垂直壓力和水平壓力相等；朗金和金尼克也提出了相似的理論。
（2）經(jīng)驗理論階段（20世紀初～20世紀30年代）
該階段出現(xiàn)了根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗提出的地壓理論，并開始用材料力學和結(jié)構(gòu)力學的方法分析地下工程的支護問題，最有代表性的理論就是普羅托吉雅柯諾夫提出的自然平衡拱學說，即普氏理論，該理論認為，圍巖開挖后自然塌落成拋物線拱形，作用在支架上的壓力等于冒落拱內(nèi)巖石的重量，僅是上覆巖石重量的一部分。太沙基提出相同的理論， 只是他認為塌落拱形狀是矩形，而不是拋物線型。普氏理論是相應于當時的支護型式和施工水平發(fā)展起來的，進一步說圍巖和支護之間并不安全是荷載和結(jié)構(gòu)的關系問題，在很多情況下圍巖和支護形成一個共同承載系統(tǒng)，維持巖石工程的穩(wěn)定最根本的還是發(fā)揮圍巖的作用，盡管如此，上述理論在一定的歷史時期和一定條件下還是發(fā)揮了一定作用的。
（3）經(jīng)典理論階段（20世紀30年代～20世紀60年代）
巖石力學學科形成的重要階段，彈性力學和塑性力學被引入巖石力學，確立了一些經(jīng)典計算公式，形成圍巖和支護共同作用的理論，巖體工程技術問題的解決，這些都說明巖石力學發(fā)展到該階段已完成為一門獨立的學科。在經(jīng)典理論發(fā)展過程階段，形成了“連續(xù)介質(zhì)理論”和“地質(zhì)力學理論”兩大學派。早在20世紀30年代，薩文就用無限大平板孔附近應力集中的彈性解析來計算分析巖石工程的圍巖應力分布問題，20世紀50年代，魯濱湟特運用連續(xù)介質(zhì)理論寫出了求解巖石力學領域問題的系統(tǒng)著作，同時，開始有人用彈塑性理論研究圍巖的穩(wěn)定問題，導出著名的芬納-塔羅勃公式和卡斯特納公式，塞拉塔用流變模型進行了隧峒圍巖的粘彈性分析。
20世紀60年代，運用早期的有限差分和有限元等數(shù)值分析方法，出現(xiàn)了考慮實際開挖空間和巖體節(jié)理、裂隙的圍巖和支護共同作用的彈性或彈塑性計算解，使運用圍巖和支護共同作用原理進行實際巖石工程的計算分析和設計變得普通，促進了中國早期的地應力測量工作的開展。
地質(zhì)力學理論注重研究地層結(jié)構(gòu)和力學性質(zhì)與巖石工程穩(wěn)定性的關系，由德國人克羅斯創(chuàng)立起來的，理論反對把巖體當作連續(xù)介質(zhì)簡單地利用固體力學的原理進行巖石力學特性的分析，強調(diào)重視對巖體節(jié)理、裂隙的研究和結(jié)巖石工程穩(wěn)定性的影響和控制作用，1951年在第一屆地質(zhì)力學討論會，形成“地質(zhì)力學研究組”并廣泛應用于巖石工程。
（4）現(xiàn)展階段（20世紀60年代～現(xiàn)在）
此階段是巖石力學理論和實踐的新進展階段，其主要特點是用更為復雜的多種多樣的力學模型來分析巖石力學問題，把力學、物理學、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學、現(xiàn)代信息技術等的最新成果引入巖石力學，20世紀60年代和70年代，原位巖體與巖塊的巨大工程差異被揭露出來，巖體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和賦存狀況到重視。20世紀70年代開始出現(xiàn)用于巖石工程隱定性計算的數(shù)值計算方法，主要是有限元法，20世紀80年代數(shù)值計算方法發(fā)展很快，有限元、邊界元及混合模型得到廣泛應用，成為巖石力學材料分析計算的主要手段，20世紀90年代數(shù)值分析終于在巖石力學和工程學科中扎根，巖石力學專家和數(shù)學家合作創(chuàng)造成一系列計算原理和方法。20世紀80年代和90年代，巖石工程三維信息系統(tǒng)、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)、工程決策支持系統(tǒng)等迅速發(fā)展起來，并得到普遍的重視和應用。20世紀90年代現(xiàn)代數(shù)理科學的滲透是非線性科學在巖石力學中的重要應用。
智能巖石力學涉及人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊數(shù)學、非線性科學、系統(tǒng)科學、固體力學和巖石工程等許多領域。
二、巖體力學的基本研究內(nèi)容和研究方法
巖石力學服務對象的廣泛性和研究對象的復雜性，對任何巖石工程領域來講，下列基本內(nèi)容是首要進行研究的。
（1）工程巖體的穩(wěn)定性包括：1）各類工程巖體在開挖荷載作用下的應力、位移分布特征；2）各類工程巖體在開挖荷載作用下的變形破壞特征；3）各類工程巖體的穩(wěn)定性分析與評價等。
（2）巖石的基本力學性質(zhì)包括：1)巖塊在各種力學作用下的變形和強度特征以及力學指標參數(shù)；2）影響巖石力學性質(zhì)的主要因素，包括加載條件、溫度、濕度等；3）巖石的變形破壞機理及其破壞判據(jù)。
（3）巖石的物理、水理與熱力學性質(zhì)。
（4）結(jié)構(gòu)面力學性質(zhì)內(nèi)容包括：1）結(jié)構(gòu)面在法向壓應力及剪應力作用下的變形參數(shù)及其確定；2）結(jié)構(gòu)面剪切強度特征及其測試技術和方法。
（5）巖體力學性質(zhì)包括：1）巖體變形與強度特征及其原位測試技術與方法，2）巖體力學參數(shù)的弱化處理與經(jīng)驗估計；3）影響巖體力學性質(zhì)的主要因素；4）巖體中地下水的賦存、運移規(guī)律及巖體的水力學特征。
（6）地應力分布規(guī)律及巖體規(guī)律及其測量理論與方法
（7）巖石、巖體的地質(zhì)特征，內(nèi)容包括：1）巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征；2）結(jié)構(gòu)面特征及其對巖體力學性質(zhì)的影響；3）巖體結(jié)構(gòu)及其力學特征；4）巖體工程分類。
（8）巖石工程穩(wěn)定性維護技術包括巖體性質(zhì)的改善與加固技術等。
（9）各種新技術、新方法與新理論在巖石力學中的應用。
（10）工程巖體的模型、模擬試驗以及原位監(jiān)測技術，模型試驗包括數(shù)值模型模擬、物理模擬等。
根據(jù)所采用的研究手段或所依據(jù)的基礎理論所屬學科領域的不同，巖石力學的研究方法可大概歸納以下四種：
（1）工程地質(zhì)研究方法；（2）科學實驗方法；（3）數(shù)學力學分析方法；（4）整體綜合分析方法。
三、巖體力學研究的主要問題
主要研究的問題有以下幾種：
（1）水利水電工程；（2）采礦工程；（3）鐵道和公路建設工程；（4）土木建筑工程；（5）海洋勘探與開發(fā)工程。以上只是一些主要方面，隨著巖石工程建設的發(fā)展，還會有新問題的不斷提出。
四、巖體力學與工程發(fā)展趨勢和前景展望
國際上巖石力學與巖石工程研究的最新趨勢：
(l)巖石工程對環(huán)境的影響越來越受到重視，這是同全球的環(huán)境保護意識增強離不開的。
(2)對巖石或巖體的力學和水力學特性與溫度場、應力場等相關場的耦合問題的研究越來越多，不再是對簡單環(huán)境下單一巖石力學性質(zhì)的研究。
(3)對巖石力學特性及巖石工程的數(shù)值方法和數(shù)據(jù)模擬的研究一直是長盛不衰的。
(4)巖石或巖體特有的節(jié)理裂隙對其力學性質(zhì)的影響的研究越來越深入和細致。
(5)原位測試及勘探。水壓致裂及三維裂紋勘探受到重視，聲發(fā)射致裂研究裂縫擴展及強度的破壞。
(6)越來越重視巖石力學的研究成果在實際工程中的應用。
(7)高科技在巖石力學與巖石工程中的應用開始嶄露頭角。
以下五個方面的問題應成為我們的主攻方向。
（1）巖體力學研究由局限的巖體走向解決山體和地體等大范圍、大尺度的工程和資源開發(fā)問題。
（2）巖體力學由研究單一的固體不連續(xù)材料向多場耦合和多相運動研究發(fā)展。
（3）巖體力學從單純的地球內(nèi)動力驅(qū)動或外動力驅(qū)動模型向內(nèi)外動力耦合作用模型的轉(zhuǎn)變。
（4）巖體力學從工程巖體穩(wěn)定性研究向極端災害的非線性動力過程的預測及防治進軍。
（5）從常規(guī)的巖石開挖的失穩(wěn)防治到新型大規(guī)模暴力攻擊的防護，以及人地關系的協(xié)調(diào)。
這些問題都是對巖石力學提出的更高的要求，使巖石力學面臨許多前所未有的問題和挑戰(zhàn)，急需發(fā)展和提高巖石力學理論和方法的研究水平，以適應工程實踐的需要。
摘 要：在深部開采工程中產(chǎn)生的巖石力學問題是目前國內(nèi)外采礦及巖石力學界研究的焦點，“三高一擾動”的復雜環(huán)境，是深部開采面臨的挑戰(zhàn)性、高難度課題。雖然目前對于深部開采工程的研究已經(jīng)取得了部分成果，但對深層次、注重個案、側(cè)重技術的基礎研究重視仍然不夠。今后主要研究方向應集中在深部巖石力學基本特性、深部開采工程穩(wěn)定性控制、深部開采地表環(huán)境損傷控制以及深部厚煤層綜放開采基礎理論研究等方面。
關鍵詞：深部開采；巖石力學；三高一擾動
深部開采巖石力學，主要是指在進行深部資源開采過程中引發(fā)的與巷道工程及采場工程有關的巖石力學問題。目前，對能源的需求逐步增加，開采強度也不斷加大，這些都造成了淺部資源的日益減少，因而國內(nèi)外的礦山都相繼進入深部資源開采狀態(tài)。而開采深度的不斷增加，工程災害也隨之增多，這對深部資源安全高效的開采造成了巨大威脅。
1 深部開采巖體的力學特點
1.1 開采環(huán)境
深部開采和淺部開采最明顯的區(qū)別在于深部巖石所處的特殊環(huán)境，也就是“三高一擾動”的復雜力學環(huán)境?！叭摺敝饕侵父叩販?、高地應力和高巖溶水壓?！耙粩_動”主要是指強烈的開采擾動。當進入深部開采后，巖體呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，即由各向不等壓的原巖應力引起的壓、剪應力超過巖石的強度，并且對巖石造成破壞。
1.2 力學行為特性
深部巖石的“三高一擾動”復雜環(huán)境，對深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應產(chǎn)生根本性的影響。主要表現(xiàn)在深部巖體動力響應的突變性，深部巖體應力場的復雜性，深部巖體的大變形和強流變性，深部巖體的脆性一延性轉(zhuǎn)化，深部巖體開挖巖溶突水的瞬時性等五個方面。
2 深部開采工程中的巖石力學問題
目前對于深部開采工程的研究已經(jīng)取得了一系列成果，但是對于側(cè)重技術、注重個案的深層次基礎研究始終沒有得到足夠的重視。深部開采“三高一擾動”的復雜力學環(huán)境，使深部巖石力學行為及其深部災害的特征與淺部開采明顯不同，因而在淺部開采基礎上建立的傳統(tǒng)理論不能適應現(xiàn)在的研究環(huán)境。
2.1 強度確定
深部開采時地應力水平比較高，因而工程開挖后的工程巖體在高圍壓作用下，一個或兩個方向上應力狀態(tài)的改變所表現(xiàn)出的強度變化并不是簡單的表現(xiàn)在受拉或受壓，而是復雜的拉壓復合狀態(tài)，即徑向產(chǎn)生卸載，同時切向產(chǎn)生加載。所以深部開采時工程巖體的強度不能單純用巖塊強度來確定，必須建立符合深部開采特點的工程巖體拉壓復合強度確定理論。
2.2 設計理論
深部開采時，由于工程圍巖所表現(xiàn)出的非線性力學特性，在穩(wěn)定性控制設計時不能采用簡單的一次線性設計，因而必須建立采用二次以至多次非線性大變形力學穩(wěn)定性控制設計理論。
2.3 穩(wěn)定性控制理論
在深部開采環(huán)境下，工程開挖后工程圍巖就會有不同程度的破壞，必須采用二次支護甚至多次支護才能夠?qū)崿F(xiàn)工程穩(wěn)定性。因此，原有的穩(wěn)定性控制理論不能適合新的環(huán)境，必須建立適合深部開采工程的二次（支護）穩(wěn)定性控制理論。
3 今后研究重點
隨著我國國民經(jīng)濟的提高和科學技術的發(fā)展，在復雜地質(zhì)條件下一些長深鐵路、公路隧道的修建，有了許多深部開采事故的預防應用，并由此發(fā)展了先進的科學技術和理論。我們認為對巖石力學問題，今后主要研究方向應集中在對深部巖石力學基本特性、深部開采工程穩(wěn)定性控制、深部開采地表環(huán)境損傷控制和深部厚煤層綜放開采基礎理論研究等方面。
3.1 “深部”的概念及其分類體系
目前國內(nèi)外對深部工程中所引發(fā)的巖石力學問題研究十分重視，但是在“深部”、“深部工程”等一系列概念上的差異較大，這些對該領域理論與技術研究的發(fā)展及交流有一定影響。因而，對“深部”的概念、分類體系以及評價指標進行科學的定義，是推動深部巖體力學的基礎理論研究的當務之急。
3.2 深部巖石力學的基本特性研究
深部工程的“三高一擾動”復雜環(huán)境，使得深部巖體的組織結(jié)構(gòu)、基本行為特征和工程響應都發(fā)生了根本性的變化，同時也導致深部開采中災變事故的多發(fā)性和突發(fā)性。因而，深部資源開采面臨的核心科學問題正是采掘擾動表現(xiàn)出來的特殊力學行為。其中的深部高應力場成因以及多個應力場的耦合作用狀態(tài)研究、深部復雜應力狀態(tài)下巖體拉壓復合強度確定方法及其災變機理更是今后研究的重點。
3.3 深部開采工程的穩(wěn)定性研究
深部開采工程的穩(wěn)定性問題是研究圍巖在開采破壞后與支護系統(tǒng)相互作用所達到的二次穩(wěn)定問題。在深部條件下的工作面回采所形成的采動應力場與巷道掘進形成的開挖應力場相互耦合疊加，這些形成了復雜的三維應力場。同時，采動應力的分布與回采空間動態(tài)、多維的時空規(guī)律以及支承壓力區(qū)的范圍和峰值應力等也將產(chǎn)生很大變化。因此，應該結(jié)合深部巖體的非線性力學特性研究，在對深部采場以及巷道圍巖采動的應力時空分布規(guī)律的深入分析基礎上，探討深部開采采場及巷道一體化的穩(wěn)定性非線性力學控制對策。
3.4 深部工程災害的發(fā)生機理以及控制對策的研究
在深部條件下，“三高一擾動”環(huán)境使深部巖體的基本行為特征、組織結(jié)構(gòu)和工程響應發(fā)生了根本性的變化，這同時導致了深部開采中災變事故的多發(fā)性和突發(fā)性。因而，研究巖體在地下水、瓦斯、高地應力、溫度等作用下的穩(wěn)定與非穩(wěn)定變形，破壞狀態(tài)以及轉(zhuǎn)化機理、條件和規(guī)律，探索深部多相介質(zhì)、多場耦合的作用下工程災害頻度和強度等特征，這些對揭示深部工程災害的誘發(fā)機理和成災過程，并對相應的災害提出預測方法及控制對策具有重要意義。
在“三高一擾動”特殊地質(zhì)力學的環(huán)境下，傳統(tǒng)的理論、方法和技術已經(jīng)部分或全部失效。因此，對深部開采工程巖石力學基礎理論研究的大力開展，能夠?qū)ι畈抠Y源開發(fā)提供可靠的理論基礎，并為我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和國家安全戰(zhàn)略的實施提供有效的能源和資源保證。
摘 要：由于12081采場圍巖運移的復雜性，現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)反映的只是某一方面或者幾方面的規(guī)律，對頂板活動難以有一個全面了解。研究方法采用相似模擬只能在部分方面取得較好的成果，但是會消耗較高成本。實驗周期經(jīng)較長，并且一次只能模擬一種狀態(tài)。近年來，采用數(shù)值模擬方法能得到相似模擬所達不到的效果。
關鍵詞：煤巖體 力學 參數(shù) 模擬 分析
由于12081采場圍巖運移的復雜性，現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)只能反映某一些方面或某幾方面的規(guī)律，難能對頂板活動有一個全面的了解。采用相似模擬的研究方法，雖然在某些方面能取得很好的效果，但是，模擬的成本高，實驗周期經(jīng)較長，并且一次只能模擬一種狀態(tài)。近年來，采用數(shù)值模擬方法能得到相似模擬所達不到的效果。本次采用UDEC數(shù)值模擬方法，研究不同初撐力條件下，上覆巖層的穩(wěn)定性。
1 煤巖體力學參數(shù)的選取
1.1 煤巖體力學參數(shù)的選取
關于巖體參數(shù)的參考值，其材料特性滿足庫侖—摩爾準則。確定模型材料參數(shù)如表1所示。
1.2 節(jié)理和角點圓弧化
可以將巖石塊體之間的接觸面認為是節(jié)理。根據(jù)不同的粗糙程度，個別的接觸點構(gòu)成接觸面系，通常兩個端點的接觸可以代表，端點會在運動的時候發(fā)生相對的法向位移和切向位移。
塊體不僅會有面接觸還有點接觸，不管是點還是面的接觸，都會有數(shù)學上的奇異性，點接觸會引起計算上的應力集中，但是實際情況是，尖角在力的作用下被折斷鈍化，因此還要將圓弧化處理加入到角點的計算中。
圓弧化處理角點之后，可以將圓弧的中心道邊的垂線和邊的交點作為邊和角的接觸點，節(jié)點的發(fā)現(xiàn)方向也就是垂線方向。兩個焦點的接觸點可以取兩個圓弧中心的聯(lián)機和圓弧交線的交叉點。經(jīng)過圓弧化處理的角點增加了計算的時間，但是角點接觸的奇異性被消除，這樣的計算和實際接觸點的物理圖像更加符合。本次模擬時round取值0.2。
1.3 剛度系數(shù)
在UDEC中節(jié)理的法向和切向剛度系數(shù)kn和ks的正確選取是至關重要的。如果剛度系數(shù)取得太大，剛體塊將連接成為一個整體，無相對運動可言；如果取得太小了，則剛體塊將成為一盤散沙，相互間沒有約束。作為一個經(jīng)驗的規(guī)則，剛度系數(shù)最大可取為剛度最大的鄰接塊體之間的等值剛度的十倍，即有：
式中：K為體積模量；
G為剪切模量；
Zmin為節(jié)理兩側(cè)塊體單元的最小寬度。
如果取用太大的剛度系數(shù)，會將大幅增加計算時間，卻不會改變物理圖像。但是如果取用太小的剛度系數(shù)，時步會被增大，加快計算速度，但是節(jié)理“過軟”，塊體間“嵌入”太多，與實際情況不符。
剛度系數(shù)對于不同的巖石其變化是很大的。對于軟弱粘土夾層可為10～100 MPa/m。而對于花崗巖或玄武巖等的致密節(jié)理，則剛度系數(shù)甚至可以超過100 GPa/m。
UDEC中的剛度系數(shù)不同于一般彈性體的剛度系數(shù)，它僅僅作為單元間傳遞力的因子。剛度系數(shù)應取足夠大，以使計算結(jié)果趨于穩(wěn)定值。同時考慮到計算費用的經(jīng)濟性，在滿足精度和穩(wěn)定收斂要求的前提下，宜盡量減小塊體剛度，剛度系數(shù)一般取1010～1011 n/m較為適宜。計算中剛度系數(shù)取值1010。
2 UDEC數(shù)值模擬
2.1 低初撐力狀態(tài)模擬
根據(jù)實測單體支柱平均支護力為13.8 kN，采用UDEC進行了數(shù)值模擬，按單體支柱平均支護力為90 kN，采用UDEC進行了數(shù)值模擬。
2.2 UDEC模擬結(jié)果分析
從模擬結(jié)果可以得出，低支護力狀態(tài)下，頂板離層，平衡結(jié)構(gòu)形成的層位相對較低，當?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時，遇斷層或特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖體時，容易出現(xiàn)頂板事故。高支護力狀態(tài)下，平衡結(jié)構(gòu)的層位相對較高，對工作面的影響也較小，工作面變形量也較小，工作環(huán)境大大改善。
采場圍巖運移是一個動態(tài)的過程，動態(tài)過程有兩層內(nèi)容，一是隨著時間變化的動態(tài)過程；二是隨支護力不同而變化的動態(tài)過程。如圖1所示為低支護載荷條件下圍巖運移狀態(tài)，支護頂板距平衡結(jié)構(gòu)8～12 m，平衡結(jié)構(gòu)對采場的影響較大，由于支護力過小，頂板易發(fā)生離層，支護狀態(tài)差。如圖2為合理支護條件下圍巖運移狀態(tài)，平衡結(jié)構(gòu)下方巖層厚度為15～19 m，距離支柱較遠，支柱上方頂板發(fā)生離層的可能性較小，采場處于安全狀態(tài)下。
2.3 FLAC數(shù)值模擬結(jié)果分析
從FLAC數(shù)值模擬可以看出，工作面的支護初撐力大小對工作面圍巖應力分布有十分顯著的影響。低載荷，應力峰值和高應力范圍均顯著增大，而導致頂板剪應力區(qū)顯著擴大。而高載時，頂板剪應力僅在煤壁上方很小的范圍出現(xiàn)峰值。
剪應力從煤壁附近向控頂區(qū)上方頂板的擴展是導致頂板破碎的主要原因，而頂板破碎范圍與支架載荷有關。
隨支護載荷的增加，煤壁前方的支撐壓力明顯減少。煤壁前方頂板應力減少。由于支架載荷較低，煤壁前方垂直應力增加，控頂區(qū)上方剪應力集中程度增加，范圍增大。
控頂區(qū)上方的頂板鉛垂應力隨支架載荷的增加明顯改善。支護載荷的增加，導致和圍巖應力降低，從而改善圍巖控制，避免頂板破碎。
隨著支護載荷的加大，位移矢量也有所改變。位移矢量由低載垂直位移變?yōu)楦咻d的水平位移。即控頂區(qū)圍巖的穩(wěn)定性有所增強。
在主應力圖中低載時，應力矢量比較紊亂，很不規(guī)則。而高載時，主應力矢量在煤壁上方的頂板巖層，指向煤壁前方，顯示了煤壁前方的應力集中效應和壓力拱效應。
摘要：巖體力學課程理論性強、課程內(nèi)容體系面廣而復雜，在教學時一定要圍繞學生專業(yè)方向特點及專業(yè)需求，將理論教學與工程實踐教學相結(jié)合，有針對性地進行授課內(nèi)容及授課模式的安排，加深學生對課程知識體系的理解。以我校土木工程專業(yè)地下建筑方向“巖體力學”課程教學為例，從教材選擇與教學安排、教學方法改革等幾個方面作了詳細的闡述，為國內(nèi)高校同類專業(yè)《巖體力學》教學提供有益的參考。
關鍵詞：土木工程；地下建筑工程；巖體力學；教學改革
《巖體力學》是巖土工程、地質(zhì)工程專業(yè)的專業(yè)基礎課程之一，也是土木工程、水利工程等學科的主要專業(yè)課之一。巖體力學是近展起來的一門新興學科和邊緣學科，是一門應用性和實踐性很強的應用基礎學科。巖體力學是研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律的理論及其實際應用的科學，是一門應用型基礎學科。巖體力學是一門認識和控制巖石系統(tǒng)的力學行為和工程功能的科學。因此，在巖體力學教學中必須加強教學內(nèi)容改革和加強課程實踐環(huán)節(jié)，體現(xiàn)巖體力學作為基礎學科內(nèi)容的完整性和土木工程專業(yè)基礎的實踐性，引導和推動學生積極地投身到該課程的學習中去。我校土木工程專業(yè)從成立時，一直將《巖體力學》課程作為主要專業(yè)基礎課程，并已形成了良好的教學傳統(tǒng)，教材及實驗條件都十分充足；且該課程一直作為我?guī)r土工程、地質(zhì)工程碩士、博士入學考試的科目之一，經(jīng)過多年的教學實踐獲得了較好的課程教學經(jīng)驗。但在我校也存在多個專業(yè)不同方向都沿用一套教材、一套大綱、一套講義的教學現(xiàn)狀問題，并未結(jié)合專業(yè)方向特色進行有針對性的改革；故此結(jié)合近幾年對我校土木工程專業(yè)地下建筑專業(yè)方向本科生授課經(jīng)驗及感受，介紹面向地建專業(yè)方向的巖體力學課程安排和教學方法改革的相關措施及效果。
一、課程內(nèi)容及教學安排
1.教材選擇。目前國內(nèi)巖體力學教材比較多，側(cè)重點也有所不同，通過對國內(nèi)其他兄弟院校授課教材調(diào)研發(fā)現(xiàn)，基本上都是采用本校權威教授所編的教材或者是國家規(guī)劃教材。結(jié)合我校地質(zhì)學專業(yè)特色及課程教學團隊經(jīng)驗，采用我校劉佑榮教授所編的，由中國地質(zhì)大學出版社出版的《巖體力學》教材；2009年又再次對教材進行了重新編審，由北京化工出版社出版了修訂版的《巖體力學》教材，對部分章節(jié)進行了合并，并增加了目前國內(nèi)外研究方面的成果，例如結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡模擬等內(nèi)容。近2年授課則是以這本修編教材為主，但在部分章節(jié)的授課中也兼顧了蔡美峰主編的《巖石力學與工程》教材，供學生課后學習，以滿足本專業(yè)學生對巖體力學知識的需求。
2.課程內(nèi)容優(yōu)化。結(jié)合教材的內(nèi)容編排，主要從以下幾方面的內(nèi)容來進行重點講解，包括巖體的地質(zhì)特征，巖體的物理、地下洞室圍巖應力重分布，邊坡巖體穩(wěn)定性分析等內(nèi)容。在具體內(nèi)容編排中也適當?shù)卦黾恿瞬糠謨?nèi)容，如在巖體的地質(zhì)特征章節(jié)，補充安排了工程巖體分類等內(nèi)容；在巖體強度與變形性質(zhì)方面，增加了地下工程巖體分級標準及體系的相關介紹；在內(nèi)容編排上突出地下建筑方向的專業(yè)特點及需求。
3.教學學時安排。本課程的課時安排在第三學年的第五學期，總學時為40個學時，2.5個學分，其中課堂教學34個學時，實驗課6個學時。本門課程是在系統(tǒng)學習完理論力學、材料力學等力學基礎課后進行開設的。
二、課程教學方法改革
1.圍繞專業(yè)工程實例展開授課?！稁r體力學》課本身就是實踐性特別強的一門課，在進行每一章節(jié)的授課時，可以多以工程實例來展開，尤其是國內(nèi)外比較知名的工程實例，多多采用照片、錄像等生動形象的方式，來增加學生的感性認識，使學生投入其中，增強學生學習的興趣及熱情。例如，在講第五章地應力的時候，可以結(jié)合水利水電工程中，如錦屏電站的高地應力問題來說明地應力研究的重要性；在講邊坡工程，可以選用大量邊坡地質(zhì)災害的圖片。由問題入手，來追根溯源找到解決問題的源頭。
2.結(jié)合專業(yè)方向特色來授課。巖體力學作為土木工程、地質(zhì)工程、采礦工程等諸多工程的主干專業(yè)課，面對的專業(yè)層次不盡相同，在授課的時候盡量能結(jié)合專業(yè)背景展開。針對地下建筑工程方向的學生，要從學生的專業(yè)方向特色及專業(yè)需求來闡述。作為土木工程地下建筑方向的本科生，《巖體力學》這門學科的發(fā)展都與地下工程的發(fā)展是密不可分的。從本質(zhì)來講，縱觀巖體力學發(fā)展的幾個重要階段，從19世紀末～20世紀初的初始階段誕生的靜水壓力理論、側(cè)壓系數(shù)，到20世紀初～20世紀30年代的經(jīng)驗理論階段出現(xiàn)的普氏理論、太沙基理論，然后在20世紀30年代～20世紀60年代產(chǎn)生的圍巖和支護共同作用理論及地質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，這些重大理論及思想的誕生過程就是對地下工程認識實踐不斷深入的過程，并促進了巖體力學學科向前發(fā)展。在授課時，可以將這一發(fā)展脈絡講述給學生，并貫穿到后續(xù)的課程教學中，不僅大大地培養(yǎng)了學生對自己專業(yè)的自豪感，也加深了對自己專業(yè)的認識。
3.結(jié)合教師科研工作來授課。講授這門課的老師，不僅有科研經(jīng)歷豐富的教授博導，也有剛走出校園的博士年輕教師，他們在長期的工作和求學中，完成和參與了大量的科研項目，也取得了一定科研沉淀。在授課時，可以將這些科研成果進行整理，在每章結(jié)束時，抽出專門的時間，做個與授課內(nèi)容相關的小型專題講座，豐富學生的專業(yè)眼界的同時，也可將巖體力學最新的研究方法、手段和技術介紹給學生。例如，在講地應力一章，就曾經(jīng)將參與過的地應力測試及地應力反演分析的課題成果向?qū)W生進行介紹；講地下洞室穩(wěn)定性時，就將參與的軟巖隧道科研項目成果進行介紹；上課時的反響很熱烈，大大激發(fā)了學生科研的熱情，建立了專業(yè)教師和學生之間一座良好的溝通橋梁。尤其是對那些希望繼續(xù)攻讀研究生的學生，也為他們開啟了一扇科研的窗戶；此外，也讓學生了解授課老師及其團隊的專業(yè)方向及特長，為后續(xù)研究生報考提供了便利條件。
4.結(jié)合學生實踐課來展開。我?！稁r體力學》課程是安排在大三上學期，上這門課的學生僅僅經(jīng)歷的與此相關的實踐環(huán)節(jié)就是大二結(jié)束時的地質(zhì)學專業(yè)教學實習。雖然是地質(zhì)實習，但也是與這門課的研究對象——各類巖體在打交道，例如各種巖石、結(jié)構(gòu)面。在上課時，不妨將課程中提到的各種巖塊、結(jié)構(gòu)面等內(nèi)容與實習中能看到的種類聯(lián)系起來，使學生的認識更為深刻。例如，在談巖塊、結(jié)構(gòu)面和巖體的地質(zhì)特征時，便可列舉實習線路中各類成因、不同類型、不同特征的結(jié)構(gòu)面及巖石；在講結(jié)構(gòu)面的強度及變形性質(zhì)時，可以將實習中遇到的各種斷層、軟弱結(jié)構(gòu)面等現(xiàn)象作為實例來分析其性質(zhì)上的差異。這些實例學生在實習中都親自參與過，已經(jīng)有了部分感性上的認識，重新回到課堂上學習其相關的知識，認識和教學效果也會更好。
《巖體力學》課程內(nèi)容豐富，更要求我們在教學時進行一定的教學改革，要結(jié)合所教學生專業(yè)方向的特點以及未來需求，多采用先進的教學手段和方法，注重加強理論基礎聯(lián)系工程實際的教學模式，提高學生認識問題深度和廣度，培養(yǎng)學生良好的工程專業(yè)素養(yǎng)和專業(yè)精神，為學生后續(xù)的發(fā)展奠定良好的基礎。
摘 要：為更好的服務生產(chǎn)，保證12081工作面回采順利，并探索一套能夠指導類似工作面的技術，我們在12081工作面進行工業(yè)性試驗，對煤巖體力學特性與電鏡進行分析并對底板特性進行測試。
關鍵詞：煤巖體 力學特性 電鏡分析 底板特性 測試
為更好的服務生產(chǎn)，保證12081工作面回采順利，并探索一套能夠指導類似工作面的技術，我們在12081工作面進行工業(yè)性試驗，對煤巖體力學特性與電鏡進行分析并對底板特性進行測試。
1 12081工作面煤體特性和電鏡分析
12081工作面所采煤層為山西組二1 煤，煤種貧煤，煤質(zhì)以低灰、發(fā)熱量特高熱值、特低硫、特低氯、低磷為主要特征，為一級含砷煤。煤灰屬較高軟化和較高流動溫度灰。二1煤中無煙煤和貧煤可做為動力用煤和民用燃料。開采煤層煤質(zhì)特征見表1。12081工作面煤體電鏡分析見圖1。
二1煤煤類有無煙煤和貧煤，以粉狀為主，粒狀、鱗片狀次之，塊狀少許，易磨碎。二1煤為黑色-灰黑色，黑-灰黑色條痕，以粒狀為主，次為塊狀，粉狀，可見鱗片狀。
塊煤為金剛—— 玻璃光澤，貝殼狀、參差狀斷口，內(nèi)生裂隙發(fā)育，可見鏡煤條帶，莫氏硬度2～3度。粉、粒狀煤污手、質(zhì)軟，煤芯疏松易碎。二1煤層相對真密度為1.49t/m3，相對視密度為1.45t/m3。
與底板特性測試的結(jié)果相吻合。說明煤體軟而且酥，極易風化。工作面可見底板煤層浸水后，踩上去似泥窩一樣把礦工靴陷進去。
2 12081工作面頂板和底板巖體力學性能與電鏡分析
二1煤直接頂板多為砂質(zhì)泥巖和泥巖，砂質(zhì)泥巖為深灰色薄層及中厚層狀，裂隙不發(fā)育。泥巖多為深灰色塊狀。也有砂巖為灰白色，一般致密堅硬，裂隙不發(fā)育。有偽頂，巖性為泥巖及炭質(zhì)泥巖，厚度0.43～0.95m。
從電鏡圖可見，巖體破壞的界面與煤層截然不同，煤層的界面就像小米粒一樣處于松散的狀態(tài)；頂板巖體的界面就像堅硬的實木裂口一樣，處于相互嵌合的狀態(tài)。
綜上所述，12081工作面即二1煤層直接頂板，為砂質(zhì)泥巖和泥巖，巖石抗壓強度較高，屬易管理頂板。12081工作面即二1煤層底板，為泥巖和砂質(zhì)泥巖為不易變形中硬度底板，亦易管理。
3 底板比壓特性曲線圖譜顯示
12081工作面底板比壓測點分布，如圖3所示，在工作面每測區(qū)距煤壁1～4m之間建測點，共建16個測點。按照上述計算方法計算每個測點的對應數(shù)值，并繪出底板比壓特性曲線圖譜。
圖3中編號：左起第一為數(shù)字是指，按照距離槽頭的距離排序的序號；第二位數(shù)字是指，1代表用采用BPN型內(nèi)注式靜壓比壓儀測定底板實體煤層的比壓，2采用DZD40-A底板比壓儀測定底板表層煤層的比壓。最后一位數(shù)字是與井下記錄的聯(lián)系，沒有具體含義?？招那€代表底板比壓。當?shù)装灞葔簝x的底模尺寸大于的油缸內(nèi)徑時，因為折算后的值小，如空心曲線所示。
4 結(jié)論
為全面掌握12081工作面支柱與底板的相互作用現(xiàn)狀，必須測量和研究12081工作面底板的煤層或巖層抗壓入特性，確定容許的底板比壓值，以選定單體支柱的底座面積與合理支護密度，增強支護系統(tǒng)的剛度。對指導和加強回采工作面底板管理工作，搞好安全生產(chǎn)有重要意義。
